Forta si Gratie

Fortele primordiale aflate la baza existentei universului cunoscut

Exista patru forte elementare - identificate pana in prezent - care stau la temelia existentei universului cunoscut si in baza carora se intampla interactiunile dintre particulele de materie. Cea mai mica unitate de forta din fiecare categorie poarta denumirea de cuanta (supranumita si particula elementara de forta). Aceste forte care ne modeleaza universul sunt:

- Forta gravitationala,
- Forta electromagnetica,
- Forta nucleara tare,
- Forta nucleara slaba.

Interactiunea Gravitationala dintre corpurile masive guverneaza miscarea planetelor, a stelelor, a sistemelor solare si galactice, practic a intregii materii din Univers la nivel macrocosmic. Forta gravitationala se defineste ca fluctuatie in curbura spatiu-timp, de aceea creeaza camp gravific ondulatoriu si are o raza de actiune potential infinita, aspectul sau de camp oscilant fiind cel care se propaga pe distante cosmice prin fenomenului undelor gravitationale. Radiatia gravitationala este energia transportata de aceste unde. Aspectul de particula elementara (cuanta) al fortei gravitationale este dat de graviton (schimbul de gravitoni genereaza si reflecta o interactiune gravitationala). Legea atractiei universale spune ca oricare doua corpuri actioneaza unul asupra celuilalt cu o forta de atractie gravitationala direct proportionala cu masele celor doua corpuri si invers proportionala cu patratul distantei dintre ele.

Interactiunea Electromagnetica dintre particule este forta care guverneaza orbitarea electronilor negativi in jurul nucleelor atomice pozitive (cu protoni pozitivi), precum si respingerea intre ele a particulelor elementare de aceeasi polaritate (electronul respins de electron, protonul respins de proton). Practic este forta care creeaza intreaga dinamica electro-magnetica din univers prin intermediul campurilor electrice si magnetice asociate dinamicilor de polaritatee + / - ale particulelor. Oscilatiile acestui camp combinat (electric si magnetic) la nivel micro si macro se propaga in spatiu sub forma de unde, fenomenul oscilatoriu fiind insotit tot timpul de fenomene luminoase - emisie / absorbtie de lumina masurabila ca radiatie electromagnetica pe diferite zone ale spectrului electromagnetic: radio, microunde, infrarosii, lumina vizibila, raze ultraviolete, raze x, raze gamma. Aspectul de particula elementara (cuanta) este dat de foton (schimbul de fotoni genereaza si reflecta o interactiune electromagnetica).

Interactiunea Nucleara Tare dintre particule - este forta care apare in interiorul nucleelor atomice, actionand pe distante extrem de mici si avand rolul de a tine quarcii legati in interiorul protonilor si neutronilor din nucleu, precum si insasi protonii si neutronii in interiorul structurii nucleice. Forta se exercita automat atunci cand particulele de tip cuarc sau nucleonic sunt aduse suficient de aproape una de alta, insa ca acest lucru sa poata fi realizat trebuie mai intai invinse fortele electromagnetice de respingere dintre protonii incarcati cu sarcina electrica de acelasi semn, fapt realizabil doar la temperaturile extrem de ridicate din stele sau in acceleratoarele de particule. Forta nucleara tare sta la baza existentei fenomenului de fuziune nucleara - mixarea de mai multe nuclee atomice intr-un nucleu atomic nou, rezultand formarea de structuri atomice noi, masive si stabile, precum si foarte multa energie. Forta nucleara tare nu poate fi depistata decat in imediata vecinatate a cuarcilor din interiorul nucleonilor (protoni, neutroni) sau intre nucleonii extrem de apropiati (protoni, neutroni). Aspectul de particula elementara (cuanta) al acestei forte este dat de gluon (schimbul de gluoni genereaza si reflecta o interactiune nucleara tare).

Interactiunea Nucleara Slaba dintre particule - este forta nucleara care actioneaza pe distante extrem de mici, avand rolul de a converti unele in altele particule elementare de tip fermionic. Sub actiunea acestei forte, un cuarc de un anumit tip poate degenera intr-un cuarc de alt tip, un electron se poate converti intr-un neutrino, un neutron poate deveni proton iar protonul neutron. Forta nucleara slaba intra in actiune atunci cand fortele din interiorul nucleului atomic (nucleara tare si electromagnetica nu mai sunt in echilibru stabil). Din acel moment nucleul atomului devine dezintagrabil si ajunge sa degenereze in elemente noi, plus emisie de energie sub forma de radiatie nucleara (radioactivitate), fenomenul fiind controlat de forta nucleara slaba. Transformarea unui element radioactiv (nucleu atomic instabil) in alt element mai putin radioactiv (nucleu atomic mai stabil) prin dezintegrare se mai numeste si transmutatie nucleara naturala. Suspendarea ulterioara a proprietatii de radioactivitate a nucleului atomic se datoreaza re-echilibrarii fortelor elementare din interiorul atomilor rezultati. Aspectul de particula elementara (cuanta) al fortei nucleare slabe este dat de bosonii W+, W- si Z (schimbul de bosoni W/Z genereaza si reflecta o interactiune nucleara slaba).

Toate aceste 4 tipuri de interactiuni sunt mijlocite de PARTICULELE DE FORTA mentionate.

Ca raport de putere, forta nucleara tare este si cea mai mare dintre aceste 4 forte, fiind de 137 de ori mai puternica decat forta electromagnetica, de 1.000.000 ori mai puternica decat forta nucleara slaba si de 10³⁹ mai puternica decat forta gravitationala.

Forta nucleara slaba:
- este singura care poate schimba fizica particulelor, datorita acestei forte o particula putand degenera in alta particula, plus energie (spre exemplu un neutron poate trece in proton + electron + antineutrino + radiatie nucleara), facand astfel ca materia sa devina radioactiva,
- asigura eficienta activitatii termonucleare din stele,
- are cea mai scurta raza de actiune dintre toate tipurile de forte, de circa 10^(-18) metri,
- aceasta forta se pare ca este responsabila de anumite asimetrii sesizabile in universul fizic care fac existenta noastra materiala posibila, determinand ca materia si antimateria sa nu se comporte una fata de cealalta ca si cum s-ar vedea in oglinda, astfel incat, la inceputul universului observabil, a fost posibila ramanerea in existenta a ceva mai multa materie decat antimaterie, din care mai apoi au evoluat toate structurile materiale pe care le cunoastem azi.

Forta nucleara tare:
- face ca protonii si neutronii sa ramana integri si stabili,
- are o distanta de actiune foarte scurta ca forta atractiva, de circa 10^(-15) metri, insa, daca nucleonii tind sa se apropie la mai mult de 2/3 din aceasta distanta unul fata de cealalt, devine repulsiva (practic aceasta forta nu doar atrage nucleonii ci ii si tine la o anumita distanta unul fata de cealalt, asigurandu-le astfel individualitatea in cadrul nucleului atomic),
- actionand si intre nucleoni fara sarcina electrica (precum neutronii) acest lucru dovedeste ca forta Nucleara Tare nu este de natura electromagnetica.

Forta electromagnetica:
- e atractiva pentru sarcini opuse si repulsiva pentru sarcini identice,
- distanta pe care actioneaza este uriasa (tinde la infinit),
- confera o structura stabila atomilor si moleculelor,
- se transmite prin fotoni (lumina sau radiatie electromagnetica circuland in vid cu viteza constanta de 300.000 km/secunda).

Forta gravitationala:
- e numai atractiva,
- distanta pe care actioneaza este uriasa (tinde la infinit),
- mentine planetele, stelele, sistemele solare si galaxiile interconectate in structuri complexe aflate in miscari extrem de precise unele in raport cu altele,
- controleaza dinamica macrocosmica a Universului.

Majoritatea fortelor din realitatea noastra cotidiana sunt ELECTROMAGNETICE - duritatea, elasticitatea, vascuozitatea depind de legaturile chimice de natura electromagnetica dintre atomii elementelor componente iar culorile obiectelor se datoreaza interactiunii electromagnetice a luminii cu materia; structura corpurilor din jurul nostru se datoreaza tot legaturilor chimice care apar ca rezultat al interactiunii electromagnetice dintre electronii atomilor elementelor care le formeaza. De asemenea, separatia dintre obiecte, suprafete, materiale, substante se intampla tot datorita fortei electromagnetice - de data aceasta de respingere dintre electronii care intra in compozitia atomilor din suprafetele diferitelor corpurilor. Aceasta forta influenteaza asadar particulele care poseda sarcina electrica si este legata de o gama incomensurabil de mare de fenomene magnetice, electrice, optice, termice, mecanice, chimice, biologice, in plasma, gaz, lichid sau solid. Unificarea fenomenelor electrice, magnetice si optice, ca manifestari ale unei realitati fizice numita camp electromagnetic a avut consecinte deosebit de importante in planul cunoasterii realitatilor mai mult sau mai putin subtile ale materiei si energiei. Ele l-au indrumat pe Einstein la elaborarea teoriei relativitatii restranse.

Toate aceste 4 tipuri de interactiuni intre diferite particule de materie (deci de tip fermionic) sunt mijlocite de particulele de forta (de tip bosonic) - graviton, foton, gluon, WZ. Daca fermionii se vor putea combina formand o roca, un lemn, un nor, o stea, o floare, un peste sau un corp uman, depinde doar de fortele elementare. Intreaga teorie din fizica cuantica in baza careia se intampla sa existe lumea materiala este aceea conform careia fermionii interactioneaza intre ei prin schimb de bosoni.

Exista doua ANALOGII deosebit de sugestive in domeniul macroscopic ilustrand fenomenele de interactiune dintre doua structuri materiale (aflate la distanta in spatiu) prin intermediul particulelor de forta (bosoni):

- Pentru fortele de respingere: Doi copii (fermioni) care stau cu fata unul la celalalt, fiecare pe cate o pluta pe un lac, la oarece distanta unul fata de celalalt, fiecare cu cate o minge in mana, isi arunca unul altuia mingea (boson). Dupa ce o prind, fiecare din ei are iarasi in mana o minge, dar plutele s-au pus acum in miscare si se indeparteaza una de alta - se „resping”. Practic nici o schimbare la nivel de structura materiala nu a avut loc (fiecare copil este in continuare pe pluta lui cu cate o minge in mana), totusi, cele doua structuri de materie au interactionat fara o legatura materiala a uneia cu cealalta si suporta consecintele acestei interactiuni.

- Pentru fortele de atractie: Doi copii (fermioni) care stau fiecare pe cate o pluta pe un lac, cu spatele unul la celalalt si la oarece distanta unul fata de altul, arunca, fiecare in directia opusa celuilalt, cate un bumerang (boson). Dupa ce bumerangul fiecaruia face o rotatie completa si ajunge inapoi de unde a plecat, fiecare din cei doi copii are din nou cate un un bumerang in mana, este in aceeasi stare, pe aceeasi pluta, dar plutele s-au pus acum in miscare si se apropie una de alta - se „atrag”.