Fundamental växelverkan

Vad fysiker kallar de fyra fundamentala naturkrafterna är:

Växelverkan Teori Kraftbärare Relativ styrka¹ Beteende på långt avstånd
Stark växelverkan Kvantkromodynamik
(QCD) gluon 10³⁸ $1$
Elektromagnetisk kraft Kvantelektrodynamik
(QED) foton 10³⁶ $\frac{1}{r^2}$
Svag växelverkan Elektrosvag teori W-boson och Z-boson 10²⁵ $\frac{e^{-m_{W,Z}r}}{r}$
Gravitation Allmänna relativitetsteorin
(inte en kvantteori) graviton 1 $\frac{1}{r^2}$
¹Ungefärligt. Den exakta styrkan beror på energi och involverade partiklar.

Man tror för närvarande att all interaktion kan förklaras utifrån dessa fyra krafter. Exempelvis friktion är resultatet av den elektromagnetiska kraften.

De fyra krafterna har även motsvarande kraftpartiklar. Dessa är

Gravitation - Graviton

Svag Kärnkraft - W- och Z- partiklar

Stark Kärnkraft - Gluon

Elektromagnetisk kraft - Foton

Det är en enorm skillnad mellan styrkan hos de olika krafterna. Den starka kärnkraften är ungefär hundra gånger starkare än elektromagnetismen, och den svaga kärnkraften har bara en tusendel av elektromagnetismens styrka. Gravitationen är oerhört mycket svagare: den svaga kärnkraften är hela tusen miljoner miljoner miljoner miljoner miljoner miljoner (1000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000) gånger starkare än gravitationen. Det kan låta märkligt med tanke på att det är gravitationen som håller våra fötter på marken och som får universums alla himlakroppar att röra sig i sina olika banor. Men på grundläggande nivå är gravitationen oerhört mycket svagare än de andra krafterna.

Även krafternas räckvidd skiljer mycket: gravitationen och elektromagnetismen har oändlig räckvidd, medan de båda kärnkrafterna har mycket liten räckvidd. Den starka kraften håller ihop kvarkarna i neutroner och protoner, och håller också ihop dessa partiklar i atomkärnan. Den svaga kraften styr det radioaktiva sönderfallet hos olika instabila grundämnen.

Anledningen att gravitationen dominerar på längre avstånd är att den elektriska laddningen kan vara positiv eller negativ. En positiv och en negativ laddning nära varandra, till exempel i en atom, tar ut varandra så att den elektromagnetiska kraften oftast i praktiken får en räckvidd på nanometrar, till exempel när föremål är i 'kontakt' med varandra. Gravitationen har inga negativa massor, totala kraften bara ökar ju mer massa det är.

Det har visat sig svårt att få alla fyra krafter bakom ett enda ramverk. Den starka och svaga kärnkraften liksom elektromagnetismen binds samman genom kvantmekaniken, däremot har det visat sig att gravitationen inte kan förklaras inom denna teori. Den allmänna relativitetsteorin har kunnat förklara gravitationen, men har då samtidigt motsatt sig kvantmekaniken. Nu finns dock strängteori som har lyckats förena kvantmekanik och relativitetsteori liksom alla de fyra krafterna. Strängteorin saknar dock experimentellt stöd trots lång tids forskning. Detta gör att teorin ofta ifrågasätts och än så länge inte bör betraktas som vedertagen.