Các lực cơ bản

Các lực cơ bản hay còn gọi là lực nền tảng là những lực cơ bản của tự nhiên mà mọi lực khác đều có thể quy về các loại lực này khi phân tích chi tiết.

Trong cơ học cổ điển, các lực cơ bản là những lực không thay đổi khi thay đổi hệ quy chiếu. Mặc dù cũng tồn tại lực quán tính không thể quy về các lực cơ bản, lực này được coi là 'lực ảo' vì có thể tìm thấy hệ quy chiếu mà lực này không xuất hiện (hệ quy chiếu quán tính).

Mô hình vật lý hiện đại chỉ ra rằng có bốn loại tương tác cơ bản trong tự nhiên: lực hấp dẫn, lực điện từ, lực mạnh và lực yếu.

Trong đời sống hàng ngày, các lực chúng ta thường gặp chủ yếu là từ lực điện từ, trừ lực hấp dẫn của Trái Đất. Ví dụ, các lực trong va chạm cơ học giữa các vật thể đều liên quan đến lực tương tác giữa các phân tử hoặc nguyên tử, cụ thể là lực điện từ giữa hạt nhân và electron. Lực cơ học bao gồm phản lực giữa các vật rắn, lực đẩy Acsimét trong chất lỏng và khí, lực ma sát giữa các bề mặt, lực nâng cánh máy bay trong khí động lực học, sức căng bề mặt, và các lực điện từ ở mức phân tử. Các phản ứng hóa học cũng bị chi phối bởi lực điện từ, chẳng hạn như trong động cơ đốt trong. Các thiết bị điện, như động cơ điện, rõ ràng sử dụng lực điện từ một cách trực tiếp.

Lực hấp dẫn

Lực hấp dẫn là lực yếu nhất trong bốn loại lực cơ bản của tự nhiên, xuất hiện chủ yếu ở quy mô lớn, như trong thiên văn học. Lực này giữa hai vật có khối lượng m₁ và m₂, rất nhỏ so với khoảng cách r giữa chúng, được tính theo định luật vạn vật hấp dẫn của Newton:

$F_g=\frac{G.m_1.m_2}{r^2}$

với G ≈ 6,67 x 10⁻¹¹ N m²/kg², được gọi là hằng số hấp dẫn.

Lực hấp dẫn luôn là lực kéo và tác động dọc theo đường nối tâm của hai vật. Độ lớn của lực hấp dẫn giữa hai vật là bằng nhau nhưng hướng ngược lại, tuân theo định luật ba của Newton. Theo các nhà vật lý hạt, có một hạt gọi là graviton, là hạt truyền tải lực hấp dẫn.

Lực hấp dẫn có sự tương đồng với lực Coulomb đối với các điện tích, vì cả hai đều tuân theo quy tắc nghịch đảo bình phương khoảng cách. Sự tương đồng này đã khiến Albert Einstein nghĩ đến việc kết hợp lực hấp dẫn với lực điện từ, nhưng nỗ lực này không thành công. Vào thập niên 1960, ba lực còn lại đã được thống nhất trong mô hình điện-yếu (electroweak unification), kết hợp lực điện từ, lực mạnh và lực yếu thành một hệ thống thống nhất.

Hiện tại, các nhà vật lý nhận thấy lực hấp dẫn và lực điện từ đều có điểm chung, với cả hai đều liên quan đến các hạt truyền tương tác không có khối lượng. Phát hiện này mở ra cơ hội mới để kết hợp bốn lực cơ bản của tự nhiên thành một lý thuyết duy nhất.

Lực điện từ

Lực điện từ là một trong bốn lực cơ bản của tự nhiên. Nó bao gồm lực điện (hoặc lực Coulomb giữa các điện tích đứng yên) và lực từ (phát sinh từ sự chuyển động của các hạt mang điện). Cả lực điện và lực từ đều được mô tả như một lực truyền, với hạt truyền tương tác là photon.

Quá trình lượng tử hóa của lực điện từ được giải thích trong thuyết điện động lực học lượng tử (QED). Lực điện từ có biên độ vô hạn và tuân theo quy tắc nghịch đảo bình phương khoảng cách, tương tự như lực hấp dẫn.

Lực điện từ hiện diện giữa các hạt mang điện tích như electron và quark, và có độ lớn gấp khoảng $4.2\times <!--\; \times \; -->{10}^{42}$ lần so với lực hấp dẫn. Có hai loại điện tích là âm và dương; hai hạt cùng điện tích sẽ đẩy nhau, còn hai hạt có điện tích khác dấu sẽ hút nhau. Trái Đất, mặt trời, và các hành tinh đều có lượng điện tích âm và dương cân bằng, do đó không tạo ra lực điện từ đáng kể.

Lực điện từ giữa electron và proton là lý do khiến electron duy trì quỹ đạo quanh hạt nhân.

Lực mạnh

Bài viết chính: Lực mạnh

Lực mạnh là một trong bốn lực cơ bản của tự nhiên. Lực này có vai trò giữ các thành phần của hạt nhân nguyên tử lại với nhau, chống lại lực đẩy mạnh mẽ giữa các proton. Lực mạnh được chia thành hai thành phần: lực mạnh cơ bản và lực mạnh dư. Lực mạnh ảnh hưởng đến các hạt quark, phản quark và gluon, hạt truyền tương tác của chúng. Thành phần cơ bản giữ các quark lại để tạo thành hadron như proton và neutron, trong khi thành phần dư giữ các hadron trong hạt nhân nguyên tử. Cũng có một hạt gián tiếp gọi là boson hadron hay meson.

Theo lý thuyết sắc động lực học lượng tử, mỗi quark mang một loại điện tích màu, có thể là 'đỏ', 'xanh lam' hoặc 'xanh lơ'. Những tên gọi này không liên quan gì đến màu sắc thực tế. Các quark đối xứng tương ứng với các màu này là 'đối đỏ', 'đối xanh lam' và 'đối xanh lơ'. Các quark cùng màu sẽ đẩy nhau, trong khi các quark khác màu sẽ hút nhau. Sự tương tác giữa hạt màu và hạt đối màu của nó rất mạnh. Các hạt chỉ tồn tại nếu tổng điện tích màu của chúng là trung hòa, nghĩa là chúng có thể kết hợp với các quark đối màu như trong baryon (như proton và neutron), hoặc một quark và đối quark tương ứng tạo thành meson.

Sự tương tác mạnh giữa hai quark được trung gian bởi một loại hạt trao đổi gọi là gluon. Hãy tưởng tượng gluon như một quả bóng bàn và hai quark là hai vận động viên. Khi hai quark xa nhau, lực tương tác giữa chúng rất lớn, nhưng khi chúng lại gần, lực tương tác này giảm xuống bằng 0. Có tám loại gluon khác nhau, mỗi loại mang một điện tích màu và một đối màu, tạo thành tám tổ hợp màu khác nhau.

Khi hai quark tương tác, chúng luôn thay đổi màu nhưng tổng điện tích màu vẫn được bảo toàn. Ví dụ, nếu một quark đỏ bị kéo bởi một quark xanh lam trong một baryon, một gluon mang điện tích đối xanh lam và đỏ sẽ được giải phóng từ quark đỏ và hấp thụ bởi quark xanh lam. Kết quả là quark đỏ chuyển thành quark xanh lam và quark xanh lam chuyển thành quark đỏ, tổng màu điện tích vẫn là xanh lam + đỏ. Trong một meson, nếu quark xanh lơ và đối xanh lơ tương tác, một gluon mang điện tích đối đỏ và xanh lơ sẽ được giải phóng và hấp thụ, khiến quark xanh lơ chuyển thành đỏ và đối xanh lơ chuyển thành đỏ, tổng màu điện tích vẫn bằng 0. Hai quark xanh lam đẩy nhau và trao đổi gluon mang điện tích xanh lam và đối xanh lam, màu xanh lam của quark vẫn được giữ nguyên.

Hiện tượng quark không thể tách rời khi chúng xa nhau gọi là hiện tượng giam hãm (confinement). Một giả thuyết cho rằng khi các quark gần nhau, chúng không còn lực tương tác mạnh và trở thành tự do, được gọi là sự tự do tiệm cận, có thể được giải thích bằng nguyên lý quả bóng bàn như đã nêu.

Lực yếu

Bài viết chính: Lực yếu

Lực yếu là một trong bốn lực cơ bản, xuất hiện trong mọi hạt cơ bản ngoại trừ photon và gluon, với các hạt truyền tương tác là W boson và Z boson.

Lực yếu hoạt động trong một phạm vi rất nhỏ do khối lượng lớn của các hạt W boson và Z boson, khoảng 80 GeV, dẫn đến sự bất định nguyên lý trong một khoảng không chỉ khoảng ${10}^{-<!--\; -\; -->18}$ mét, chỉ bằng 0,1% so với đường kính của proton. Do đó, các hiệu ứng của lực yếu trong điều kiện bình thường là rất nhỏ. Một số định luật bảo toàn đúng với lực mạnh và lực điện từ nhưng lại không áp dụng cho lực yếu. Mặc dù có phạm vi và hiệu suất thấp, lực yếu đóng vai trò thiết yếu trong cấu trúc vũ trụ mà chúng ta thấy.

Lực yếu có khả năng chuyển đổi các quark từ loại này sang loại khác, và có vai trò quan trọng trong cấu trúc vũ trụ của chúng ta, cụ thể là:

• Mặt trời không thể phát sáng nếu không có lực yếu, vì nó cho phép sự chuyển đổi proton thành neutron, từ đó tạo ra deuterium, đồng vị của hydro, và thúc đẩy phản ứng tổng hợp hydro, giải phóng lượng năng lượng khổng lồ.
• Lực yếu cần thiết để tạo ra khối lượng đáng kể của các hạt nhân.

Sự phát hiện của boson vector W và Z vào năm 1983 đã xác nhận lý thuyết liên kết lực yếu và lực điện từ thành một lực chung gọi là lực điện-yếu.

Liên kết bên ngoài

• Fundamental interaction (physics) tại Encyclopædia Britannica (tiếng Anh)
• Tương tác cơ bản tại Từ điển bách khoa Việt Nam
  • Tương tác mạnh tại Từ điển bách khoa Việt Nam
  • Tương tác yếu tại Từ điển bách khoa Việt Nam
  • Tương tác điện từ tại Từ điển bách khoa Việt Nam
    • Tương tác điện - yếu tại Từ điển bách khoa Việt Nam
  • Tương tác hấp dẫn tại Từ điển bách khoa Việt Nam

(tiếng Việt)

• Các loại lực trong tự nhiên. Lưu trữ ngày 2016-03-04 tại Wayback Machine. V. Grigoriev, G. Miakisev; Ngô Đặng Nhân dịch - Tái bản lần thứ nhất. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2002, 527 trang
• Các lực trong tự nhiên, V. Grigôriev và G. Miakisev: Phần 1, Phần 2, Phần 3, Phần 4, Phần 5, Phần 6, Phần 7