Các loại lực trong tự nhiên

Các loại lực trong tự nhiên

Nhân có một bạn hỏi về vì sao phân tử chuyển động, mình đưa ra một bài ngắn và tổng hợp về các loại lực trong tự nhiên cũng như tham vọng hợp nhất các loại lực này của các nhà khoa học. Mong được sự góp ý của mọi người.

Trong tự nhiên có 4 loại lực : Lực mạnh, lực yếu, lực điện từ và lực hấp dẫn.

1- Lực mạnh :


Không biết đã có ai tò mò về việc làm sao các proton trong hạt nhân có thể có điện tích 3,4 ... tương ứng với số proton có trong hạt nhân đó không. Bởi vì theo định luật Cu-lông thì ở khoảng cách gần như vậy, ta có thể tính ra lực điện đẩy nhau giữa các proton khi đó trở nên lớn khủng khiếp.

Chính vì lý do này, các nhà khoa học đã nghĩ ra một loại lực gọi là "lực mạnh". Lực này có đặc điểm là chỉ có tác dụng trong một khoảng cách rất ngắn (cỡ hạt nhân nguyên tử) và nó là lực hút. Lực này mạnh nhất trong các lực tự nhiên, tầm hoạt động của nó bị khống chế bởi nguyên lý bất định chứ không tuân theo các quy luật bình thường.

Người ta cho rằng tương tác của lực mạnh được truyền đi bằng các hạt pions và có thể còn có các hạt nặng khác. Một hạt pion cân bằng điện tích sẽ phân rã thành electron, positron và tia gamma dưới tác dụng trường điện từ trong khoảng thời gian rất ngắn là 10-16 giây. Còn các hạt pion + và - thì có thời gian tồn tại lâu hơn, khoảng 2.6x10-8 giây

it''s over

Được imweasel sửa chữa / chuyển vào 00:54 ngày 29/03/2004

Tớ ủng hộ cả hai tay ... hai chân luôn. Và bằng hành động tớ mạn phép đưa một chút thông tin nhằm làm sống động thêm bài viết của bạn imweasel.
Câu chuyện về Pion:
Trong những năm 30, H.Yukawa (1935) đưa ra một giả thuyết về lực thắng lại lực Coulom ở khoảng cách ngắn. Tất nhiên lực này là lực hút. Theo như "lời khuyên" của ông thì lực này có thể tương tự như một tương tác trong lý thuyết Maxwell.
Công thức hoá, thì lực sẽ giảm theo hàm mũ và có thể coi như là hoàn toàn biến mất (98%) tại kích thước nguyên tử. Như vậy:
VY(r) = g.exp(-r/R) /r.
Sau khi biến đổi, tất nhiên là áp dụng cách biến đổi trong các phương trình Maxwell chúng ta nhận được phương trình sóng
(D - 1/c2*d2/dt2)VY(x,t) = 1/R2* VY(x,t)
Cho đến nay, nhưng phép đo dạc cho thấy lý thuyết của Yakawa vẫn còn độ chính xác khá cao của nó. Ngoài ra việc đưa ra một giả thuyết mang tính công thức thể này đã giúp rât nhiều cho các nhà khoa học, đặc biệt là cho ngành vật lý Hạt và Phóng xạ trong việc giải các phương trình sóng cũng như viết các phương trình Dirack một cách công thức hoá.
(Vì là một câu chuyện, xin phép cho ngoclong80 lược bớt những phần thuộc về chuyên môn, nhất là những phép biến đổi, và những kết quả như sóng phẳng, sóng cầu.)
Ngoclong80

2- Lực Điện Từ

Đây có lẽ là lực quen thuộc với các bạn cấp 3. Lực điện từ thực chất gồm có lực Điện, được tính theo công thức của định luật Coulomb và lực từ. 2 lực này đã được thống nhất trong một công thức chung, gọi là định luật Lorentz.


Người ta cho rằng lực điện từ truyền tương tác thông qua sự trao đổi các hạt photon. Tác dụng của lực này không bị giới hạn bởi không gian, có hơi hơi giống với lực hấp dẫn (cũng là một trong 4 lực cơ bản). Trên thực tế, khi xét dưới góc độ vi mô, lực này thường bị bỏ qua hoặc chỉ xét đến nhằm mục đích cung cấp thêm độ chính xác cho tính toán vì tầm ảnh hưởng không lớn như các lực còn lại
photon : đây là các "hạt ánh sáng". Ánh sáng được xem như có 2 mặt, 1 dưới dạng sóng là sóng điện từ, 2 dưới dạng hạt là các photon sáng. Đã có một topic tranh luận trong box về vấn đề ánh sáng có tính chất sóng và hạt như thế nào. Các bạn có thể tham khảo thêm. Người ta cũng nghiên cứu lực điện từ dưới góc độ lượng tử hoá nữa. Những điều này đi quá phạm vi bài viết nên không đề cập đến ở đây
it's over

3- Lực yếu :
Đây là loại lực có vẻ trừu tượng nhất ( tớ không hiểu lắm)

Lực này đề cập sâu vào bản chất của vật chất trong thế giới tự nhiên. Người ta vẫn hay đặt câu hỏi, thực chất thì cái gì là phần tử nhỏ bé nhất cấu tạo nên vật chất. Rồi từ đó đã đẻ ra khái niệm về phân tử, nguyên tử, e, proton, notron, rồi đến quark và lepton. Quark có 6 loại : up, down, charm, strange, top , bottom. Quark có điện tích lẻ, nếu lấy proton là 1 thì quark có thể có điện tích -1/3 và 2/3.
Lực yếu tác dụng ở mức độ kích thước của quark. Nó sẽ làm thay đổi từ dạng quark này sang một dạng quark khác. Do đó, ta có thể thấy nó xuất hiện trong các phản ứng phân rã có sự thay đổi của quark ( phóng xạ beta). Lực này cũng cần thiết cho sự hình thành các hạt nhân nặng và siêu nặng mà lâu lâu ta lại thấy báo đài nhắc tới.
Sự khám phá ra W và Z (?) vào 1983 đã dẫn đến sự liên quan của lực yếu với lực điện từ, do đó hình thành thuyết hợp nhất 2 lực này ( electroweak unification)
it's over

4-Lực hấp dẫn

Đây là loại lực phổ biến nhất và chi phối tất cả mọi thứ trong vũ trụ. Chắc các bạn cấp 3 hay đã vào đây cũng không lạ gì nó nữa. Nó nổi tiếng với quả táo rơi của Newton.
Lực hấp dẫn đồng thời cũng là lực yếu nhất trong 4 loại lực cơ bản của tự nhiên. Lực hấp dẫn giữa 2 vật luôn là lực hút, có giá nằm trên đường thẳng nối khối tâm của 2 vật. Lực hấp dẫn truyền tương tác bằng một loại hạt không có khổi lượng gọi là graviton. Cạc hạt graviton chưa bao giờ được quan sát một cách trực tiếp băng thực nghiệm mà người ta chỉ suy ra các tính chất của nó dựa trên các đặc điểm của lực hấp dẫn. Từ đó, người ta suy ra là hạt graviton có khối lượng nghỉ = 0.
it's over

5 - Lý thuyết hợp nhất các loại lực của tự nhiên hay còn gọi là siêu lực
Do sự hạn chế về trình độ và tài liệu, người viết chỉ xin đưa ra vấn đề một cách hết sức khái quát.
Sự cố gắng hợp nhất các lực trong tự nhiên lần đầu tiên được đưa ra là của Einstein. Nhận thấy trong 4 loại lực, có lực tĩnh điện và lực hấp dẫn có mô hình toán học rất giống nhau, cùng tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách. Do đó Einstein đã dành nhiều thời gian để chứng minh rằng trong một số trường hợp, lực hấp dẫn và lực điện là một. Nhưng thực tế đã chứng minh rằng lực hẫp dẫn sẽ là lực cuối cùng có thể hợp nhất vào lý thuyết siêu lực do sự khác nhau về bản chất.
( đi ăn đã, lần sau viết tiếp )
it's over

5 - Lý thuyết hợp nhất các loại lực của tự nhiên ( tiếp theo và hết)
Ok, đến đây, bạn có thể thắc mắc là người ta nghĩ đến chuyện hợp nhất 4 loại lực đó làm gì ? Đó là cái dở hơi của các nhà Vật Lý hoặc là sự thiên tài, không rõ (vẫn còn đang được các nhà khoa học nghiên cứu ). Nhưng, người ta vẫn tìm mọi cách để hợp nhất Vật Lý lại trong một lý thuyết thống nhất, xuyên suốt. Để thống nhất Vật Lý, thì việc thống nhất 4 loại lực cơ bản trong tự nhiên là cần thiết, có thể nói là đủ. Vì mọi thứ tồn tại trong tự nhiên tương tác với nhau = 4 loại lực (tương tác) này, do đó nếu ta hợp nhất được 4 loại lực thì đã tiến một bước rất dài trong khoa học.
Trong 4 loại lực cơ bản, người ta đã hợp nhất được 3 loại lực đầu, gọi là thuyết siêu hợp nhất ( Grand Unified Theory - GUT ). Nguyên tắc cơ bản để hợp nhất các lực là dựa trên các hạt truyền tương tác. Ta đã biết, các lực cơ bản không được truyền đi một cách tức thời mà dựa trên các hạt đặc biệt. Các hạt này có thể có hoặc không có khối lượng, có thể quan sát trong phòng thí nghiệm nhưng cũng có khi không thể quan sát được sự tồn tại. Xong, điều quan trọng là người ta phải tìm ra một trạng thái đặc biệt, mà ở đó, các hạt có thể được miêu tả bằng một mô hình toán học duy nhất và các lực cơ bản có độ lớn bằng nhau. Các nhà khoa học đã xây dựng thành công mô hình toán của GUT cho 3 lực đầu tiên. Tuy nhiên, mức năng lượng theo tính toán, mà ở đó, ta có thể quan sát thấy sự hợp nhất của lực yếu, lực mạnh và lực điện từ, là khá lớn, người ta không thể đạt tới được trong tương lai gần. Do đó, để chứng minh cho tính đứng đắn của GUT, một thí nghiệm gián tiếp được đưa ra.
Lực yếu được tìm ra bởi phóng xạ beta, trong đó neutron phân rã thành proton, electron và neutrino. Nếu thuyết GUT đúng, thì người ta sẽ quan sát được sự phân rã tương tự với proton. Tuy nhiên, mọi cố gắng để tìm thấy sự phân ra của proton cho đến nay vẫn là vô vọng.
Bài viết đến đây là hết. Người viết không học Vật Lý nên bài chắc sẽ có nhiều lỗi, mong các bạn thông cảm.
Hẹn gặp lại
it's over

Nếu ai có nhu cầu hiểu thêm và không sợ mất độ chính xác do tác giả không phải học vật lý thì xin mời ghé thăm trang web sau http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hframe.html
Trong trang web này không chỉ nói riêng về các loại lực cơ bản mà nó còn trình bầy khá đầy đủ kiến thức cơ bản về vật lý, chỉ có điều nó không co bài tập đi kèm thôi và một số chỗ nếu ai đó học chuyên ngành thì cảm thấy hơi thiếu một tí!
Good luck!