Image credit: Contemporary Physics Education Project / DOE / NSF / LBNL, via http://cpepweb.org/.
Když přijde k základním zákonům přírody, můžeme zlomit to všechno dolů do čtyř sil, které jsou v jádru všeho, co ve Vesmíru:
- silné jaderné síly: síla, odpovědné za držení atomových jader a jednotlivé protony a neutrony dohromady.
- elektromagnetická síla: síla, která přitahuje a odpuzuje nabité částice, váže atomy dohromady na molekuly a život a způsobuje mimo jiné elektrický proud.
- slabá jaderná síla: síla zodpovědná za některé typy radioaktivního rozpadu a transmutaci těžkých, nestabilních základních částic na lehčí.
- a gravitace: síla, která spojuje zemi, sluneční soustavu a hvězdy a galaxie dohromady.
čtyři základní síly v našem vesmíru. Obrázek kredit: uživatel Wikimedia Commons Kvr.lohith, pod… a. C. a.-by-s. a. -4.0 mezinárodní licence.
V závislosti na tom, jak se na to díváte, má každá síla měřítko a okolnost, za které svítí nad všemi ostatními.
atom helia s jádrem v přibližném měřítku. Obrázek kredit: uživatel Wikimedia Commons yzmo,… pod licencí c. c. a. – s. a. -3.0 unported.
jděte do nejmenších měřítek-10^-16 metrů, nebo milionkrát menší než atom – a silná jaderná síla může překonat všechny ostatní. Vezměte například jádro helia: dva protony a dva neutrony, spojené dohromady ve stabilní konfiguraci. Dokonce i elektromagnetické odpuzování mezi dvěma protony nestačí k překonání lepidlo-jako silná síla drží pohromadě jádro. I když vezmete neutron pryč, takže vám zůstanou dva protony a jen jeden neutron, tento izotop helia je také stabilní. Silná síla, na nejmenších vzdálenostech, bude důsledně překonávat všechny ostatní, a proto za mnoha okolností může být považována za nejsilnější.
galaxie Centaurus A s vysokoenergetickými tryskami způsobenými elektromagnetickým zrychlením. Obrázek… autor: NASA / CXC/CfA / R. Kraft et al.
ale zkuste vytvořit atomové jádro příliš velké a elektromagnetická síla převezme. Například uran-238 vyplivne jádro helia tak často, protože odpuzování mezi různými částmi jádra je příliš velké na to, aby to silná síla držela pohromadě. Na větší, kosmických měřítcích, je to intenzivní magnetické pole generované zhroutil hvězdy a rychle rotující, nabitá záležitost, která může urychlit částice na největší energií ve Vesmíru: ultra-vysokých energií kosmické záření, které nás bombardují ze všech směrů na obloze. Na rozdíl od silné síly neexistuje žádný limit pro rozsah elektromagnetické síly; protonové elektrické pole lze cítit z druhé strany vesmíru.
schematické znázornění rozpadu jaderné beta v masivním atomovém jádru. Obrázek kredit: Wikimedia… Commons user Inductiveload, vytvořený v Inkscape a uvolněný do veřejné domény.
slabá jaderná síla se může zdát nejhlasitějším kandidátem na nejsilnější sílu, vzhledem k jejímu jménu, ale i tento relativní slaboch má své chvíle zářit. Za správných podmínek, elektromagnetické síly (pracovní odrazit jako nabité komponenty) a silná jaderná síla (pracovní vázat jader dohromady) mohou navzájem vyruší, což umožňuje velmi krátké-range slabá síla na vzestupu důležitosti. Pokud ano, může to změnit stabilitu systému, protože může způsobit radioaktivní (beta) rozpad, kde se neutron transformuje na proton, elektron a antielektronové neutrino. Volné neutrony, mnoho těžkých prvků a dokonce i Tritium, nestabilní izotop nalezený v radioaktivní (tritované) vodě, to vše zdůrazňuje sílu slabé síly.
ilustrace hvězdného systému tvořícího planetu. Ilustrační foto. autor: NASA / FUSE / Lynette Cook.
ale na největších měřítcích-na měřítku galaxií, shluků galaxií a dalších-na žádné z výše uvedených sil tolik nezáleží. Ani elektromagnetismus, jehož rozsah se může rozšířit napříč vesmírem, nemá velký vliv, protože počet kladných nábojů (většinou protonů) a počet záporných nábojů (většinou elektronů) se zdá být přesně stejný. I pozorovatelně můžeme omezit rozdíl náboje ve vesmíru na menší než jednu část v 10^34. Vesmír nám říká, že i když elektromagnetismus může být mnohem silnější než gravitace mezi dvěma částicemi, pokud si dáme dohromady dostatek částic, které jsou celkově elektricky neutrální (nebo blízko ní), gravitace bude jediná síla, na které záleží. Jaderná fúze a související radiační tlak nemohou hvězdy ani roztrhat, protože jejich gravitační přitažlivá síla překonává tento energetický tlak směrem ven.
Image credit: Sloan Digital Sky Survey, IC 1101, největší známá jednotlivá galaxie v… Vesmír.
shluky galaxií a obrovské, velké struktury lze nalézt v celém vesmíru o velikosti více než miliardy světelných let. A přesto, pokud hledáte struktury 8, 10 nebo 15 miliard světelných let napříč, najdete absolutně nulu v celém vesmíru. Důvod pro to, docela záhadně, není způsoben žádnou ze sil, které jsme zmínili, ale spíše jevem zcela neočekávaným: temnou energií.
hvězdokupa galaxie El Gordo (vpravo dole), jak je zobrazeno kamerou temné energie. To není vázáno… ostatní struktury v obraze. Obrazový kredit: průzkum temné energie.
Na největší váhy, základní, malé množství energie tkvící na samotný prostor — méně než jeden Joule energie na kubický kilometr prostoru-je dost překonat i gravitační přitažlivost mezi nejhmotnější galaxie a hvězdokupy ve Vesmíru. Výsledek? Zrychlená expanze, protože nejvzdálenější galaxie a shluky se pohybují dál a dál od sebe navzájem stále rychleji, jak čas pokračuje. Na největších kosmických stupnicích se ani gravitace nedostane do cesty.
Image credit: NASA & ESA, možných modelů rozpínajícího se Vesmíru.
takže kdo je nejsilnější? Na nejmenších stupnicích je to silná síla. K dosažení nejvyšších energií je to elektromagnetická síla. Pro největší vázané struktury je to gravitace. A na největších stupnicích ze všech je to tajemná hádanka temné energie. Pokud jde o absolutní velikost, temná energie je nejslabší věc ze všech: trvalo vesmíru téměř polovinu svého věku, než začal odhalovat své účinky, a lidstvo ho objevilo až v roce 1998. Ale vesmír je velmi velké místo, a když sečtete celý objem prostoru a podíváte se do daleké budoucnosti, temná energie bude nakonec jedinou silou, na které záleží.