Lực, hoặc tương tác, đóng vai trò quan trọng trong vũ trụ, là điều cơ bản và cần thiết cho sự tồn tại của mọi thứ từ hạt nhân, nguyên tử, phân tử cho đến thiên hà, sao và hành tinh. Mặc dù có nhiều tên gọi cho các loại tương tác, thực tế chỉ có bốn loại lực cơ bản trong vũ trụ và chúng chi phối mọi hiện tượng chúng ta quan sát được.
Lịch sử của lực là rất lâu đời và từng đóng vai trò quan trọng trong nền văn minh nhân loại. Tuy nhiên, với sự phát triển của khoa học, chúng ta đã nhận ra rằng các lực này không độc lập mà thực tế có mối liên hệ chặt chẽ với nhau.
Vật lý hiện đại xác nhận rằng chỉ có bốn loại tương tác cơ bản trong vũ trụ, và chúng đều đóng vai trò quan trọng trong sự tồn tại của vật chất và cấu trúc vũ trụ. Các tương tác khác thường là các biểu hiện khác nhau của các loại tương tác cơ bản này.
Tóm lại, với cơ chế truyền tải thông qua boson, chúng ta có bốn loại tương tác cơ bản, hoặc bốn loại lực cơ bản của tự nhiên.
1. Tương tác hấp dẫn
Lực hấp dẫn là tương tác có hiện tượng kéo các vật thể và hạt có khối lượng về phía nhau. Đây là loại tương tác yếu nhất trong bốn loại tương tác cơ bản của tự nhiên nhưng lại có phạm vi tác dụng xa nhất. Lực hấp dẫn chủ yếu tạo ra các cấu trúc lớn trong vũ trụ như sao, hành tinh, và thiên hà.
Mặc dù yếu nhất, nhưng lực hấp dẫn không thể bị chặn lại và làm việc ở mọi môi trường, không giống như những gì thường thấy trong phim viễn tưởng. Lực hấp dẫn cũng gây ra những hiện tượng mạnh mẽ nhất trong vũ trụ như sự hình thành các lỗ đen và sự sụp đổ của các sao neutron.
Mặc dù có tên gọi là graviton, một loại boson lý thuyết, chưa bao giờ được tìm thấy trong thực nghiệm. Lực hấp dẫn không được tính vào Mô hình chuẩn, và nó được xem xét theo các nguyên tắc khác nhau so với ba loại tương tác còn lại.
Thuyết tương đối rộng
Trong thuyết tương đối rộng của Einstein, hấp dẫn không được xem là một loại lực mà là hệ quả của sự biến dạng không gian. Theo mô tả này, khối lượng uốn cong không gian tạo ra trường hấp dẫn, ảnh hưởng đến đường đi của mọi thứ, kể cả ánh sáng.
Theo thuyết này thì tương tác giữa mặt trời và trái đất không phải là một lực mà là trái đất đang rơi về phía mặt trời. Nhưng vì trái đất đang quay quanh mặt trời đồng thời cũng tạo ra một lực ly tâm khiến nó quay quanh mặt trời mà không rơi vào nó.
2. Tương tác điện từ
Tương tác điện từ là sự tương tác giữa các hạt mang điện tích, ví dụ như proton đẩy lẫn nhau do cùng có điện tích dương, nhưng lại hút các electron do có điện tích âm. Tương tác này tạo ra các cấu trúc như nguyên tử, phân tử, và vật chất tổng thể mà chúng ta thấy hàng ngày.
Điện từ được truyền bởi loại boson gọi là photon, cũng chính là hạt truyền ánh sáng. Photon không có khối lượng hay điện tích, chỉ đóng vai trò truyền tương tác điện từ thông qua tần số dao động của nó.
Tương tác điện từ xuất hiện khắp mọi nơi trong cuộc sống hàng ngày và có nhiều tên gọi khác nhau. Nó là nguyên nhân của các hiện tượng như lực ma sát, lực đàn hồi của lò so, lực căng của sợi dây, và thậm chí là lực do cơ bắp sinh ra khi chúng ta thực hiện các hoạt động vật lý.
Tóm lại, tương tác điện từ là một phần quan trọng của cuộc sống hàng ngày và có vai trò quan trọng trong việc tạo ra các cấu trúc và hiện tượng vật lý.
3. Tương tác mạnh
Tương tác mạnh, hay còn được gọi là lực hạt nhân mạnh, là loại tương tác được gây ra bởi gluon – một loại hạt không khối lượng và không điện tích. Đây là tương tác liên kết giữa các hạt quark, thành phần chính của proton và neutron – hai loại baryon tạo thành hạt nhân nguyên tử.
Tương tác mạnh là loại tương tác mạnh nhất trong các tương tác cơ bản của tự nhiên, nhưng lại có phạm vi tác dụng ngắn nhất.
Ngoài phạm vi bán kính của hạt nhân nguyên tử, tương tác mạnh không phát huy tác dụng. Điều này là lý do vật chất có thể tồn tại như ngày nay, vì nếu tương tác này có thể tác dụng xa như tương tác điện từ, các nguyên tử với lớp vỏ electron sẽ không thể tồn tại do sự nghiền nát bởi lực hút giữa các hạt nhân.
Tóm lại, tương tác mạnh đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành và liên kết các hạt nhân nguyên tử, đồng thời có phạm vi tác dụng ngắn nhất trong các tương tác cơ bản của tự nhiên.
4. Tương tác yếu
Tương tác yếu, hay còn được gọi là lực hạt nhân yếu, đóng vai trò quan trọng trong hiện tượng phân rã beta của neutron, dẫn đến các hiện tượng phân rã hạt nhân như phóng xạ và phân hạch.
Các neutron không bền khi đứng độc lập và chỉ ổn định khi liên kết với proton. Khi đứng độc lập, neutron có thể hấp thụ hoặc phát xạ các boson W hoặc Z (thường gọi là boson yếu) và chuyển thành một proton, một electron và một phản neutrino.
Các nguyên tố nặng cần nhiều neutron để giữ cho các proton không đẩy lẫn nhau. Tuy nhiên, nhiều neutron cũng dẫn đến việc một số neutron bị cách ly khỏi proton, thoát khỏi tầm tác dụng của tương tác mạnh. Khi đó, tương tác yếu gây ra phân rã của chúng, làm cho hạt nhân trở nên không ổn định. Các nguyên tố gặp hiện tượng này được gọi là nguyên tố phóng xạ.
Tương tác yếu giúp giới hạn số lượng nguyên tố trong vũ trụ là hữu hạn, bằng cách làm cho các hạt nhân nặng trở nên không ổn định và phân rã. Điều này góp phần quan trọng vào sự đa dạng hóa của các nguyên tố và vật chất trong vũ trụ.
Có tương tác cơ bản thứ năm hay không?
Việc tồn tại một tương tác thứ năm của tự nhiên vẫn được nhiều nhà khoa học tin tưởng, nhất là từ khi sự có mặt của vật chất tối được xác nhận.
Tới nay đã có một số thí nghiệm cho thấy sự tham gia của một biến thiên lạ mà được cho rằng có thể là một tương tác quá nhỏ chưa từng được biết tới.
Nhưng tới hiện tại, tương tác thứ năm chưa có bất cứ mô tả cụ thể nào chứ chưa nói tới xác nhận chính thức, và như vậy số lượng tương tác cơ bản của tự nhiên vẫn chỉ là bốn, với ba tương tác thống nhất trong Mô hình chuẩn và tương tác hấp dẫn đứng độc lập với chúng.
