Dari berjalan di jalan, meluncurkan roket ke ruang angkasa, hingga menempelkan magnet di kulkas Anda, kekuatan fisik bekerja di sekitar kita. Tetapi semua kekuatan yang kita alami setiap hari (dan banyak yang tidak kita sadari kita alami setiap hari) dapat dikurangi menjadi hanya empat kekuatan mendasar:
- Gravitasi.
- Kekuatan lemah.
- Elektromagnetisme.
- Kekuatan yang kuat.
Ini disebut empat kekuatan fundamental alam, dan mereka mengatur segala sesuatu yang terjadi di alam semesta.
Gravitasi
Gravitasi adalah daya tarik antara dua benda yang memiliki massa atau energi, apakah ini terlihat dalam menjatuhkan batu dari jembatan, planet yang mengorbit bintang atau bulan yang menyebabkan gelombang laut. Gravitasi mungkin adalah yang paling intuitif dan familiar dari kekuatan fundamental, tetapi juga salah satu yang paling menantang untuk dijelaskan.
Isaac Newton adalah yang pertama mengusulkan gagasan gravitasi, yang diduga terinspirasi oleh sebuah apel yang jatuh dari pohon. Dia menggambarkan gravitasi sebagai daya tarik literal antara dua objek. Berabad-abad kemudian, Albert Einstein menyarankan, melalui teorinya tentang relativitas umum, bahwa gravitasi bukanlah daya tarik atau kekuatan. Sebaliknya, itu adalah konsekuensi dari benda yang menekuk ruang-waktu. Sebuah objek besar bekerja pada ruang-waktu sedikit seperti bagaimana bola besar yang ditempatkan di tengah-tengah lembaran mempengaruhi material itu, merusak bentuknya dan menyebabkan benda lain yang lebih kecil pada lembaran jatuh ke tengah.
Meskipun gravitasi menyatukan planet, bintang, tata surya, dan bahkan galaksi, ia ternyata menjadi yang terlemah dari kekuatan fundamental, terutama pada skala molekul dan atom. Pikirkan seperti ini: Seberapa sulit untuk mengangkat bola dari tanah? Atau mengangkat kaki Anda? Atau untuk melompat? Semua tindakan itu menangkal gravitasi seluruh Bumi. Dan pada tingkat molekuler dan atom, gravitasi hampir tidak berpengaruh relatif terhadap gaya fundamental lainnya.
Kekuatan lemah
Gaya lemah, juga disebut interaksi nuklir lemah, bertanggung jawab atas peluruhan partikel. Ini adalah perubahan harfiah dari satu jenis partikel subatom ke yang lainnya. Jadi, misalnya, neutrino yang tersesat dekat dengan neutron dapat mengubah neutron menjadi proton sementara neutrino menjadi elektron.
Fisikawan menggambarkan interaksi ini melalui pertukaran partikel pembawa kekuatan yang disebut boson. Boson jenis spesifik bertanggung jawab atas gaya lemah, gaya elektromagnetik, dan gaya kuat. Dalam gaya lemah, boson adalah partikel bermuatan yang disebut boson W dan Z. Ketika partikel subatomik seperti proton, neutron, dan elektron berada dalam jarak 10 ^ -18 meter, atau 0,1% dari diameter proton, satu sama lain, mereka dapat bertukar boson ini. Akibatnya, partikel subatomik membusuk menjadi partikel baru, menurut situs HyperPhysics Universitas Negeri Georgia.
Gaya lemah sangat penting untuk reaksi fusi nuklir yang memberi daya pada matahari dan menghasilkan energi yang dibutuhkan untuk sebagian besar bentuk kehidupan di Bumi. Itu juga mengapa para arkeolog dapat menggunakan karbon-14 untuk mengabadikan tulang kuno, kayu dan artefak yang hidup sebelumnya. Karbon-14 memiliki enam proton dan delapan neutron; salah satu dari neutron itu meluruh menjadi proton untuk membuat nitrogen-14, yang memiliki tujuh proton dan tujuh neutron. Peluruhan ini terjadi pada tingkat yang dapat diprediksi, memungkinkan para ilmuwan untuk menentukan berapa lama artefak tersebut.
Gaya elektromagnetik
Gaya elektromagnetik, juga disebut gaya Lorentz, bekerja di antara partikel bermuatan, seperti elektron bermuatan negatif dan proton bermuatan positif. Biaya yang berlawanan menarik satu sama lain, sedangkan biaya yang serupa ditolak. Semakin besar muatannya, semakin besar kekuatannya. Dan seperti halnya gravitasi, gaya ini dapat dirasakan dari jarak yang tak terbatas (meskipun gaya akan sangat, sangat kecil pada jarak itu).
Seperti namanya, gaya elektromagnetik terdiri dari dua bagian: gaya listrik dan gaya magnet. Pada awalnya, fisikawan menggambarkan kekuatan-kekuatan ini sebagai terpisah satu sama lain, tetapi para peneliti kemudian menyadari bahwa keduanya adalah komponen dari kekuatan yang sama.
Komponen listrik bekerja di antara partikel bermuatan apakah mereka bergerak atau diam, menciptakan medan dimana muatan dapat saling mempengaruhi. Tetapi begitu mulai bergerak, partikel-partikel bermuatan itu mulai menampilkan komponen kedua, gaya magnet. Partikel-partikel menciptakan medan magnet di sekitar mereka saat mereka bergerak. Jadi ketika elektron memperbesar melalui kabel untuk mengisi daya komputer atau ponsel Anda atau menghidupkan TV Anda, misalnya, kabel menjadi magnet.
Gaya-gaya elektromagnetik dipindahkan di antara partikel-partikel bermuatan melalui pertukaran boson pembawa-massa yang tak bermassa yang disebut foton, yang juga merupakan komponen partikel cahaya. Foton pengangkut gaya yang bertukar antara partikel bermuatan, adalah manifestasi berbeda dari foton. Mereka adalah virtual dan tidak terdeteksi, meskipun mereka secara teknis partikel yang sama dengan versi nyata dan dapat dideteksi, menurut University of Tennessee, Knoxville.
Gaya elektromagnetik bertanggung jawab atas beberapa fenomena yang paling umum dialami: gesekan, elastisitas, gaya normal dan gaya menahan benda padat dalam bentuk tertentu. Bahkan bertanggung jawab atas hambatan yang dialami burung, pesawat, dan bahkan Superman saat terbang. Tindakan ini dapat terjadi karena partikel bermuatan (atau dinetralkan) berinteraksi satu sama lain. Gaya normal yang menyimpan buku di atas meja (alih-alih gravitasi menarik buku ke tanah), misalnya, adalah konsekuensi dari elektron dalam atom tabel yang memukul mundur elektron dalam atom buku.
Kekuatan nuklir yang kuat
Kekuatan nuklir yang kuat, juga disebut interaksi nuklir yang kuat, adalah yang terkuat dari empat kekuatan fundamental alam. Itu 6 ribu triliun triliun (yaitu 39 nol setelah 6!) Kali lebih kuat daripada gaya gravitasi, menurut situs HyperPhysics. Dan itu karena ia mengikat partikel-partikel dasar materi bersama-sama untuk membentuk partikel yang lebih besar. Ia menyatukan quark yang membentuk proton dan neutron, dan bagian dari gaya yang kuat juga menjaga proton dan neutron dari inti atom bersama.
Sama seperti gaya lemah, gaya kuat hanya beroperasi ketika partikel subatom sangat dekat satu sama lain. Mereka harus berada dalam jarak 10 ^ -15 meter dari satu sama lain, atau kira-kira dalam diameter proton, menurut situs web HyperPhysics.
Namun, kekuatan yang kuat itu aneh, karena tidak seperti kekuatan fundamental lainnya, kekuatannya semakin lemah ketika partikel-partikel subatomik semakin dekat. Fermilab sebenarnya mencapai kekuatan maksimum ketika partikel-partikel itu berada paling jauh satu sama lain. Begitu berada dalam jangkauan, boson bermuatan tak dikenal yang disebut gluon mentransmisikan kekuatan yang kuat antara quark dan menjaga mereka "terpaku" bersama. Sebagian kecil dari gaya kuat yang disebut gaya kuat residual bekerja antara proton dan neutron. Proton dalam nukleus saling tolak karena muatannya yang serupa, tetapi kekuatan kuat residual dapat mengatasi tolakan ini, sehingga partikel-partikel tetap terikat dalam inti atom.
Sifat pemersatu
Pertanyaan luar biasa dari empat kekuatan fundamental adalah apakah mereka sebenarnya merupakan manifestasi dari satu kekuatan besar tunggal alam semesta. Jika demikian, masing-masing dari mereka harus dapat bergabung dengan yang lain, dan sudah ada bukti bahwa mereka bisa.
Fisikawan Sheldon Glashow dan Steven Weinberg dari Universitas Harvard dengan Abdus Salam dari Imperial College London memenangkan Hadiah Nobel dalam Fisika pada tahun 1979 karena menyatukan kekuatan elektromagnetik dengan kekuatan lemah untuk membentuk konsep gaya elektroweak. Fisikawan yang bekerja untuk menemukan apa yang disebut teori grand unified bertujuan untuk menyatukan gaya electroweak dengan gaya yang kuat untuk mendefinisikan gaya elektron nuklir, yang telah diprediksi model tetapi para peneliti belum mengamati. Potongan terakhir dari teka-teki itu kemudian akan membutuhkan gravitasi yang menyatukan dengan gaya nuklir untuk mengembangkan apa yang disebut teori segalanya, kerangka kerja teoretis yang dapat menjelaskan seluruh alam semesta.
Fisikawan, bagaimanapun, telah menemukan cukup sulit untuk menggabungkan dunia mikroskopis dengan yang makroskopis. Pada skala besar dan terutama astronomi, gravitasi mendominasi dan paling baik dijelaskan oleh teori relativitas umum Einstein. Tetapi pada skala molekuler, atom atau subatomik, mekanika kuantum paling tepat menggambarkan dunia alami. Dan sejauh ini, belum ada yang menemukan cara yang baik untuk menggabungkan kedua dunia itu.
Fisikawan yang mempelajari gravitasi kuantum bertujuan untuk mendeskripsikan gaya dalam hal dunia kuantum, yang dapat membantu penggabungan. Yang mendasar dari pendekatan itu adalah penemuan graviton, bos teori pengangkut gaya gravitasi. Gravitasi adalah satu-satunya kekuatan fundamental yang saat ini dapat dijelaskan oleh fisikawan tanpa menggunakan partikel pembawa kekuatan. Tetapi karena deskripsi dari semua kekuatan fundamental lainnya memerlukan partikel pengangkut gaya, para ilmuwan berharap graviton harus ada pada tingkat subatomik - para peneliti belum menemukan partikel-partikel ini.
Yang semakin memperumit kisah ini adalah dunia materi gelap dan energi gelap, yang membentuk sekitar 95% dari alam semesta. Tidak jelas apakah materi gelap dan energi terdiri dari satu partikel atau seluruh rangkaian partikel yang memiliki kekuatan dan bos utusan mereka sendiri.
Partikel kurir utama yang menarik saat ini adalah foton gelap teoretis, yang akan memediasi interaksi antara alam semesta yang terlihat dan yang tidak terlihat. Jika foton gelap ada, mereka akan menjadi kunci untuk mendeteksi dunia materi gelap yang tak terlihat dan dapat mengarah pada penemuan kekuatan fundamental kelima. Namun, sejauh ini, tidak ada bukti bahwa foton gelap ada, dan beberapa penelitian telah menawarkan bukti kuat bahwa partikel-partikel ini tidak ada.
