แรงพื้นฐานทั้งสี่ของธรรมชาติ

นักฟิสิกส์รู้จักแรงพื้นฐานเพียงสี่แรง แรงอื่นที่เราคุ้นเคย เช่น แรงเสียดทาน แรงตึงเชือก หรือแรงที่โต๊ะดันแก้วน้ำ ล้วนเป็นแรงแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างอะตอมในรูปแบบต่าง ๆ

1. แรงโน้มถ่วง

แรงที่อ่อนที่สุดในบรรดาสี่แรง แต่มีระยะทำการไม่สิ้นสุดและดึงอย่างเดียว ไม่มีผลักกัน เมื่อมวลสะสมกันมาก ๆ แรงโน้มถ่วงจึงกลายเป็นแรงที่ครอบงำในสเกลใหญ่ ทั้งการโคจรของดาวเคราะห์ โครงสร้างของดาวฤกษ์ และการเกิดดาราจักร ตามนิวตัน ตามนิวตัน แรงโน้มถ่วงแปรตามมวลของวัตถุทั้งสอง และลดลงตามกำลังสองของระยะทาง

และตามไอน์สไตน์ แรงโน้มถ่วงคือความโค้งของกาลอวกาศ ยังไม่มีทฤษฎีควอนตัมของแรงนี้ที่ได้รับการยืนยัน

2. แรงแม่เหล็กไฟฟ้า

แรงระหว่างประจุไฟฟ้า ทั้งดูดและผลัก มีระยะทำการไม่สิ้นสุดเช่นกัน ตามกฎของคูลอมบ์ และลดลงตามกำลังสองของระยะทางเหมือนแรงโน้มถ่วง ตามกฎของคูลอมบ์

แรงนี้แรงกว่าแรงโน้มถ่วงมหาศาล แรงไฟฟ้าระหว่างโปรตอนสองตัวมากกว่าแรงโน้มถ่วงระหว่างกันราว 10³⁶ เท่า แต่ในวัตถุขนาดใหญ่ ประจุบวกและลบหักล้างกันเกือบหมด ดาวและดาวเคราะห์จึงแทบไม่มีประจุสุทธิ แรงนี้ยึดอะตอมและโมเลกุลไว้ด้วยกัน และสร้างแสงทุกชนิด ข้อมูลเกือบทั้งหมดที่ดาราศาสตร์มีมาจากแรงนี้ในรูปของแสง

3. แรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม

แรงที่แรงที่สุด ยึดควาร์กไว้ในโปรตอนและนิวตรอน และยึดโปรตอนกับนิวตรอนไว้ในนิวเคลียสแม้โปรตอนจะผลักกันทางไฟฟ้า แต่มีระยะทำการเพียงราวขนาดของนิวเคลียส (10⁻¹⁵ เมตร) เมื่อนิวเคลียสเบาหลอมรวมกัน แรงนี้ปล่อยพลังงานยึดเหนี่ยวออกมา ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานของดาวฤกษ์

4. แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน

แรงที่เปลี่ยนชนิดของอนุภาคได้ เช่น เปลี่ยนนิวตรอนเป็นโปรตอนในการสลายบีตา หรือเปลี่ยนโปรตอนเป็นนิวตรอนในขั้นแรกของปฏิกิริยาในดวงอาทิตย์ ขั้นนี้ช้ามากเพราะแรงอ่อน โปรตอนแต่ละตัวในแกนดวงอาทิตย์ต้องรอเฉลี่ยหลายพันล้านปีกว่าจะหลอมรวมได้ ซึ่งเป็นเหตุผลที่ดวงอาทิตย์เผาไหม้อย่างช้า ๆ และมีอายุยืนยาว นิวทริโนสัมผัสแรงนี้ (และแรงโน้มถ่วง) เท่านั้น

เปรียบเทียบความแรง

ถ้าให้แรงอย่างเข้มมีความแรงเป็น 1 ที่ระยะขนาดนิวเคลียส แรงแม่เหล็กไฟฟ้าจะมีค่าราวหนึ่งในร้อย แรงอย่างอ่อนราวหนึ่งในล้าน และแรงโน้มถ่วงราว 10⁻³⁸ เท่านั้น

ความฝันที่จะรวมแรง

ในคริสต์ทศวรรษ 1860 แมกซ์เวลล์รวมไฟฟ้ากับแม่เหล็กเป็นแรงเดียว ในคริสต์ทศวรรษ 1970 นักฟิสิกส์รวมแรงแม่เหล็กไฟฟ้ากับแรงอย่างอ่อนเป็นแรงอิเล็กโทรวีกได้ ซึ่งแยกจากกันเมื่อเอกภพเย็นลงหลังบิกแบงไม่ถึงหนึ่งในพันล้านวินาที นักฟิสิกส์หวังว่าแรงทั้งสี่จะรวมกันได้ที่พลังงานสูงมากในช่วงแรกสุดของเอกภพ แต่การรวมแรงโน้มถ่วงเข้ากับกลศาสตร์ควอนตัมยังเป็นปัญหาที่ยังไม่มีคำตอบ