力とは何ですか?自然の 4 つの基本的な力について学ぶ

コンピューターの前に座ってこの記事を読んでいるあなたは、あなたに作用しているさまざまな力に気づいていないかもしれません。しかし、力とは何でしょうか？

力は物理学の世界の基本概念であり、私たちの日常生活において重要な役割を果たしています。それは、物体の動きや振る舞い、機械の機能、さらには宇宙の構造にも関与しています。さまざまな種類の力は、その質量と加えられる力の方向に応じて、さまざまな物体に異なる作用を及ぼします。

力について、それぞれの基本的な力が何をするのか、どのように発見されたのか、他の力とどのように関係しているのかを見てみましょう。

「力とは何ですか?」

力とは、オブジェクトの運動状態を変化させたり、オブジェクトを変形させたりする押したり引いたりすることです。これは 2 つのオブジェクト間の相互作用の結果です。物体に作用する正味の力は、物体に加えられる個々の力をすべて組み合わせた結果であり、その全体的な動きを決定します。

ニュートンは、物体に加速を引き起こすあらゆる力として力を定義しました。F = ma、ここで、 Fは力、 mは質量、 aは加速度です。

接触部隊と非接触部隊

力は、その起源と相互作用の様式に基づいてさまざまなタイプに分類できます。主に、接触力と非接触力があります。

接触力は、2 つの物体が直接物理的に接触しているときに発生する力です (たとえば、壁を押すなど)。摩擦力、法線力、張力、および加えられる力は、接触力に含まれます。

非接触とは、重力のような直接の物理的接触なしに発揮される力であり、私たちを地球に接地させ、天体の運動を支配します。電気力や磁力も非接触力に分類されます。

力の影響

外力は、物の動き、加速度、方向を決定する重要な要素として作用します。一般的なものとしては次のようなものがあります。

自然の 4 つの力

おなじみの重力が、あなたを地球の中心に向かって座席に引き下ろします。それを自分の体重として感じます。

なぜ座席から転げ落ちないのですか？さて、もう 1 つの力、電磁気力が座席の原子を結合し、原子が座席の原子に侵入するのを防ぎます。コンピューターモニター内の電磁相互作用も、画面を読み取るための光を生成する原因となります。

重力と電磁気は自然の 4 つの基本的な力のうちの 2 つにすぎず、具体的には毎日観察できる 2 つです。他の 2 つは何ですか? それらが見えない場合、どのような影響がありますか?

残りの 2 つの力は原子レベルで働き、原子でできているにもかかわらず、私たちが感じることはありません。強い力が核を結びつけます。最後に、弱い力は放射性崩壊、特に原子核内の中性子が陽子と電子に変化して原子核から放出されるベータ崩壊の原因となります。

これらの基本的な力がなければ、あなたと宇宙の他のすべての物質はバラバラになって漂ってしまうでしょう。

重力で落ち込む？

あなたが初めて意識した力はおそらく重力でしょう。幼児の頃は、それに逆らって立ち上がって歩くことを学ばなければなりませんでした。つまずくと、すぐに重力で床に戻るのを感じました。

幼児に迷惑をかけるだけでなく、重力は宇宙の月、惑星、太陽、星、銀河をそれぞれの軌道に保持しています。長距離でも動作でき、範囲は無限です。

ニュートンの重力の概念

アイザック・ニュートンは、重力を、それらの質量に直接関係し、それらを隔てる距離の二乗に反比例する、任意の 2 つの物体間の引力であると想定しました。彼の引力の法則により、人類は宇宙飛行士を月に送り、ロボット探査機を太陽系の外縁に送ることができました。

1687 年から 20 世紀初頭まで、重力は 2 つの物体間の「綱引き」であるというニュートンの考えが物理学を支配しました。

しかし、ニュートンの理論では説明できなかった現象の 1 つは、水星の特異な軌道でした。軌道自体が回転しているように見えました (歳差運動とも呼ばれます)。この観測は 1800 年代半ば以来、天文学者を悩ませてきました。

アインシュタインの相対的な進歩

1915 年、アルバート アインシュタインは、ニュートンの運動法則と重力の法則が、高重力または光速のような高速の物体には適用されないことに気づきました。アルバート・アインシュタインは、一般相対性理論の中で、重力を質量によって引き起こされる空間の歪みとして想定しました。

ゴムシートの中央にボウリングのボールを置くと想像してください。ボールはシートにくぼみ（重力井戸または重力場）を作ります。ビー玉をボールに向かって転がすと、ビー玉はくぼみに落ち（ボールに引き寄せられ）、衝突する前にボールの周りを一周（軌道）することもあります。

ビー玉の速度によっては、ビー玉がくぼみから抜け出してボールを通過することもありますが、ビー玉のくぼみによってビー玉の軌道が変わる可能性があります。太陽のような巨大な物体の周りの重力場も同様です。

アインシュタインは、自身の相対性理論からニュートンの重力の法則を導き出し、ニュートンの考えが相対性理論の特殊なケース、特に弱い重力と低速に適用されるものであることを示しました。

巨大な物体 (地球、星、銀河) を考慮すると、重力が最も強力な力であるように見えます。ただし、重力を原子レベルに適用すると、素粒子の質量が非常に小さいため、影響はほとんどありません。このレベルでは、実際には最弱の勢力に格下げされます。

電磁気と共存させる

何度も髪をブラッシングすると、髪が逆立ってブラシに吸い寄せられることがあります。なぜ？ブラシの動きにより各毛に電荷が与えられ、同じように帯電した個々の毛は互いに反発します。

同様に、2 つの棒磁石の同極を同じ方向に配置すると、互いに反発します。

ただし、磁石の極を互いに近づけて逆方向にセットすると、磁石は互いに引き付け合います。これらは電磁力のよく知られた例です。反対の電荷は引き付けられますが、同じ電荷は反発します。

科学者たちは 18 世紀以来電磁気学を研究しており、いくつかの科学者は顕著な貢献をしています。

20 世紀初頭に科学者たちが原子の構造を解明したとき、素粒子が互いに電磁気力を及ぼしていることがわかりました。

たとえば、正に帯電した陽子は、原子核の周りの軌道上に負に帯電した電子を保持する可能性があります。さらに、1 つの原子の電子が隣接する原子の陽子を引き付けて残留電磁力を形成し、椅子から転落するのを防ぎます。

量子電気力学への参入

しかし、電磁気は、広い世界では無限の範囲で、原子レベルでは短距離ではどのように機能するのでしょうか?物理学者は、光子が長距離にわたって電磁力を伝達すると考えました。しかし、原子レベルで電磁気を調和させる理論を考案する必要があり、これが量子電気力学 (QED) の分野につながりました。

QED によると、光子は巨視的にも微視的にも電磁力を伝達します。ただし、亜原子粒子は電磁相互作用中に常に仮想光子を交換します。

しかし、電磁気学では原子核がどのように結合しているかを説明できません。そこで核戦力が登場する。

核戦力があなたとともにありますように

あらゆる原子の原子核は、正に帯電した陽子と中性の中性子で構成されています。電磁気学は、陽子が互いに反発し、原子核が飛び散るはずであることを教えてくれます。また、重力は亜原子スケールでは役割を果たしていないこともわかっているため、重力や電磁気よりも強い他の力が原子核内に存在するに違いありません。

さらに、この力は重力や電磁気のように毎日知覚するわけではないため、非常に短い距離、たとえば原子のスケールで作用する必要があります。

原子核を保持する力は強い力と呼ばれ、強い核力または強い核相互作用とも呼ばれます。 1935 年、湯川秀樹はこの力をモデル化し、陽子同士、および中性子と相互作用して、中間子と呼ばれる粒子 (後にパイオンと呼​​ばれる) を交換して強い力を伝達すると提案しました。

1950 年代、物理学者は原子核の構造を調査するために粒子加速器を構築しました。原子を高速で衝突させると、湯川が予言したパイオンが発見された。彼らはまた、陽子と中性子がクォークと呼ばれる小さな粒子でできていることも発見した。

したがって、強い力がクォークを結合し、その力が原子核を結合しました。

放射性崩壊

もう 1 つの核現象、放射性崩壊を説明する必要がありました。ベータ放出では、中性子が陽子、反ニュートリノ、電子（ベータ粒子）に崩壊します。電子と反ニュートリノは原子核から放出されます。

この崩壊と放出の原因となる力は、強い力とは異なり、弱いはずであるため、その残念な名前は、「弱い力」または「弱い核力」または「弱い核相互作用」です。

クォークの発見により、W ボソンと Z ボソンと呼ばれる粒子の交換を通じて、あるタイプのクォークを別のタイプに変化させるのに弱い力が関与していることが明らかになりました (1983 年に発見)。最終的に、この弱い力により、水素同位体重水素の形成と融合が可能になるため、太陽や恒星での核融合が可能になります。

重力、電磁気、弱い力、強い力という 4 つの力に名前を付けることができたので、それらがどのように比較し、相互作用するかを見てみましょう。

基本的な力の比較

QED および量子色力学 (QCD) という素粒子と核力の間の相互作用を記述する物理学の分野から、力の多くはゲージ粒子またはゲージボソンと呼ばれる粒子を交換する物体によって伝達されることがわかります。これらの物体は、クォーク、陽子、電子、原子、磁石、さらには惑星である可能性があります。

それでは、粒子の交換はどのようにして力を伝達するのでしょうか? 2 人のアイススケーターが少し離れて立っているとします。一方のスケーターがもう一方のスケーターにボールを投げると、スケーターはお互いから遠ざかります。力も同様に機能します。

物理学者は、ほとんどの力のゲージ粒子を分離しました。

核力に関連するゲージ粒子の中には質量を持つものもありますが、質量を持たないものもあります (電磁気、重力)。

電磁力と重力は光年ほどの長距離にわたって作用するため、それらのゲージ粒子は光の速度、おそらく重力子の場合はさらに速い速度で移動できる必要があります。

物理学者は重力がどのように伝わるのかを知りません。しかし、アインシュタインの特殊相対性理論によれば、質量のある物体は光速で移動できないため、光子と重力子が質量のないゲージ粒子であることは理にかなっています。実際、物理学者は光子には質量がないことを確証しています。

それらすべての中で最も強力なのはどの勢力でしょうか？それは強力な核力だろう。ただし、原子核ほどの大きさの短い範囲でのみ作用します。弱い核力は強い核力の100万分の1であり、射程はさらに短く、陽子の直径よりも小さい。

電磁力は、強力な核力の約 0.7 パーセントの強さですが、電磁力を運ぶ光子は光の速度で移動するため、その範囲は無限です。最後に、重力は最も弱い力であり、強い核力の約 6 × 10 ^-29倍です。しかし、重力の範囲は無限です。

物理学者たちは現在、4 つの基本的な力が関連している可能性があり、それらは宇宙初期に 1 つの力から生じたという考えを追求しています。このアイデアは前例のないものではありません。私たちはかつて電気と磁気を別個の存在だと考えていましたが、エルステッド、ファラデー、マクスウェルなどの研究により、それらが関連していることが示されました。

基本的な力と素粒子を関連付ける理論は、適切に大統一理論と呼ばれます。それらについては次に詳しく説明します。

基礎力の結集

科学は決して休むことがないので、基本的な力に関する研究はまだ終わっていません。次の課題は、4 つの力に関する 1 つの壮大な統一理論を構築することですが、科学者たちは重力理論と量子力学の理論を調和させるのに苦労しているため、特に困難な課題です。

そこで、より高いエネルギーで衝突を引き起こすことができる粒子加速器が役に立ちます。

1963 年、物理学者のシェルドン グラショー、アブドゥル サラム、スティーブ ワインバーグは、弱い核力と電磁力がより高いエネルギーで結合して、いわゆる電弱力になる可能性があると示唆しました。彼らは、これが約 100 ギガ電子ボルト (100GeV) のエネルギーまたは 1015 K の温度で起こり、ビッグバンの直後に起こると予測しました。

1983 年、物理学者は粒子加速器でこれらの温度に到達し、電磁力と弱い核力が関連していることを示しました。

理論によれば、1015 GeVを超えるエネルギーでは強い力が電気的に弱い力と結合し、1019 GeVを超えるエネルギーではすべての力が結合する可能性があると予測されています。これらのエネルギーは、ビッグバンの初期部分の温度に近づきます。物理学者は、これらの温度に達する可能性のある粒子加速器の構築に努めています。最大の粒子加速器は、スイスのジュネーブにあるCERNの大型ハドロン衝突型加速器です。

もし物理学者が、ビッグバンから宇宙が冷えたときに、4 つの基本的な力が確かに 1 つの統一された力から生じたことを証明できたら、それはあなたの日常生活を変えるでしょうか?おそらくそうではありません。しかし、それは力の性質や宇宙の起源と運命についての理解を前進させるでしょう。