Kraft

I fysikken er en kraft enhver interaksjon som forsøker å endre bevegelsen eller formen til et legeme, om det ikke er andre krefter som motvirker dette. Med andre ord kan en kraft føre til at et objekt med masse endrer sin hastighet, hvilket betyr at det endrer sin fart fra stillestående, eller fra én hastighet til en annen. En kraft kan også beskrives intuitivt som et skyv eller et drag. Krefter har både styrke og retning, noe som gjør at de betraktes som vektorer. I SI-systemet måles en kraft i Newton og blir ofte representert med symbolet  eller, om det er snakk om en vektor, med .
Newtons tre lover brukes for å analysere krefter og deres påvirkning. Den første loven sier at et legeme kun kan endre hastighet dersom det utsettes for en netto kraft. Den opprinnelige formen for Newtons andre lov sier at netto kraft som virker på en gjenstand er lik forandringen over tiden av bevegelsesmengden. Dersom massen til objektet er konstant, innebærer denne loven at akselerasjon av et legeme er direkte proporsjonal med nettokraft som virker på det, er i retning av denne nettokraften, og er omvendt proporsjonal med massen av objektet. Den tredje loven sier at når et legeme virker med en kraft på et annet legeme, vil det andre legemet også virke med en kraft på det første. Disse kreftene er like store og motsatt rettet. Dette innebærer at alle krefter er interaksjoner mellom ulike legemer, dermed finnes det ikke noe slikt som en ensrettet kraft eller en kraft som virker på bare et legeme.
Beslektede begreper til kraft er: skyvekraft, som øker hastigheten til et legeme, luftmotstand, som virker til å redusere hastigheten til et objekt, og dreiemoment som gir endring av  rotasjonshastighet til et legeme. For et utvidet legeme vil hver del vanligvis virke med krefter på de tilstøtende parter; fordelingen av slike krefter gjennom legemet kalles for  mekanisk spenning (eller stress). Trykk er en annen enkel form for spenning. Spenning fører vanligvis til deformasjon av faste materialer, eller strømninger i væskeer.
I moderne fysikk operere en bare med fire fundamentalkrefter: De sterke og svake kjernekrefter, den elektromagnetiske kraften som virker mellom elektriske ladninger, og gravitasjonskraft som virker mellom masser. Kjernekrefter virker bare på svært korte avstander, elektromagnetiske krefter virker på elektriske ladninger og tyngdekraften virker på alle masser i universet. Alle andre krefter er sammensatt av slike.
Den spesielle relativitetsteorien endret den moderne fysikks bilde av krefter, der blant annet betraktningen rundt krefter blir annerledes om hastighetene er svært store. Til tross for dette har Newtons bevegelseslover fremdeles stor relevans innenfor mekanikk, ettersom mange prosesser skjer ved relativt lave hastigheter.

Notasjon og måleenhet

I SI-systemet er enhet for kraft er newton, med symbol N. Denne størrelsen er definert som er den kraft som er nødvendig for å akselerere et legeme med én masse på ett kilo  med en hastighet på én meter pr sekund i kvadrat, eller kg·m·s⁻². Et mye brukt symbol for kraft er . Dersom kreftene representeres ved hjelp av vektorer, hvilket gir informasjon om retningen kreftene virker i, brukes fet skrift, .

Filosofene i antikken

Filosofer i antikken, inkludert Aristoteles og Arkimedes, anvendte begrepet kraft i studiet av stasjonære og bevegelige gjenstander. Imidlertid hadde de grunnleggende feil i sin forståelsen av fenomenet. Delvis skyldes dette ufullstendig forståelse friksjon, som ikke alltid er en åpenbar kraft, og dermed utilstrekkelig syn på årsaken til naturlige bevegelser.
Siden antikken har begrepet kraft blitt anerkjent som en integrert funksjon av hvert av de såkalte enkle maskiner, som består av blant annet skråplanet, skruen, kilen vektstangen, hjulet med aksling og trinsen . Analyse av egenskapene til krefter kulminerte til slutt i arbeidet til Arkimedes. Spesielt er han kjent for sin behandling av oppdriftskraften som oppstår i væsker.
Aristoteles ga en filosofisk drøfting av begrepet om en kraft som en integrert del av sin aristoteliske kosmologi. I Aristoteles syn er den jordiske sfære bestående av fire elementer som kommer til hvile på forskjellige «naturlige steder» deri. Aristoteles mente at ubevegelige gjenstander på jorda hovedsakelig består av elementene jord og vann, og for å være i sin naturlige plass vil de være på bakken, hvor de vil holde seg hvis de blir overlatt alene. Han skilte mellom medfødt tendens til objekter til å finne sin «naturlige plass» (for eksempel for tunge legemer til å falle), noe som førte til «naturlig bevegelse», i motsetning til «unaturlig-» eller «tvungen bevegelse», som krevde kontinuerlig anvendelse av en kraft. Denne teorien var basert på den daglige opplevelsen av hvordan objektene beveger seg, som for eksempel den konstante anvendelsen av en kraft som er nødvendig for å holde en vogn i bevegelse. Men teorien hadde konseptuelle vanskeligheter med å forklare virkemåten til prosjektiler, for eksempel bevegelsen til en pil. Stedet hvor bueskytter setter prosjektilet i beveger var ved starten av banen, og mens prosjektilet seilte gjennom luften, kan det ikke observeres noen påvirkning som får den til å fare gjennom luften. Aristoteles var klar over dette problemet og foreslo at luften som fortrenges gjennom prosjektilets bane også bærer det til sitt mål. Denne forklaringen krever generelt at et kontinuum som luft er tilstede for enhver endring av plasseringen av et legeme.
Aristotelisk fysikk begynte å utsettes for kritikk i middelalderen, først med John Philoponus i på 600-tallet.

Galileo Galilei

Svakhetene ved aristotelisk fysikk ble ikke fullt ut korrigert før på 1600-tallet med arbeidet til  Galileo Galilei, som var påvirket av den senere ideen fra middelalderen om at objekter i tvungen bevegelse bærer med seg en naturlig kraft, den såkalte impetus. Galilei konstruerte et eksperiment der steiner og kanonkuler begge ble satt til å rullet ned et skråplan for å motbevise Aristoteles teori om bevegelse tidlig på 1600-tallet. Han viste at legemer ble akselerert av tyngdekraften i en grad som var uavhengig av deres masse og hevdet at gjenstandene beholde sin hastighet hvis de ikke påvirkes av en kraft, for eksempel friksjon.
Galilei var også den første til å introdusere ideen om relative hastigheter. Fysikkens lover er de samme i hvert treghetssystem, det vil si i alle rammer som knyttes sammen av en galileitransformasjon. Nærmere bestemt vil det være slik at i systemer hvor legemer beveger seg med forskjellige hastigheter, er det umulig å bestemme hvilket legemer som er «i bevegelse», og hvilke som er «i ro». All bevegelse er relativ til annen bevegelse, og en gjenstand som er «i ro» har bare samme hastighet som andre gjenstander i samme treghetssystem.

Isaac Newton

Isaac Newton beskrev bevegelse av alle objekter ved å bruke begrepene treghet og kraft, og dermed fant han at de følger visse bevaringslover. I 1687 publisere Newton sin avhandling Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. I dette arbeidet formulerte Newton  tre lover om bevegelse som fremdeles i dag er brukt for å beskrive krefter i fysikken.
Newtons første lov om bevegelse sier at legemer fortsetter å bevege seg i en tilstand av konstant hastighet med mindre de samlet sett blir påvirket av en kraft. Denne loven er en forlengelse av Galileis innsikt om at konstant hastighet var assosiert med en mangel på netto kraft. Newton foreslo at ethvert legeme med masse har en naturlig hviletilstand i den hastigheten det allerede har. Det vil si at Newtons empiriske første lov motsier den intuitive aristoteliske oppfatningen om at en netto kraft er nødvendig for å holde et objekt i bevegelse med konstant hastighet. Ved å gjøre «hvile» fysisk umulig å skille fra «ikke-null konstant hastighet», kobler Newtons første lov direkte treghet med begrepet relative hastigheter. 
Newtons andre lov om bevegelse sier at kraften som påvirker et legeme er proposjonalt med dets akselerasjon. I Principa Mathematica ble dette formulert som en endelig differanse basert på impuls.

Kraft og determinisme

Med hjelp av Newtons lover er det mulig å forutsi den tidsmessige utvikling av et fysisk system fra en gitt utgangssituasjonen og de virkende krefter. Dette gjelder ikke bare for  enkelte eksperimenter i laboratoriet, men kanskje i prinsippet til universet som helhet? Denne konklusjonen bidro til oppfatningen av et deterministisk verdensbilde på 1700-tallet. Følgelig vil alle hendelser være fundamentalt forhåndsbestemte, selv om de beregninger som kreves for en forutsigelse er vanskelig i praktisk. Men i begynnelsen av 1900-tallet fant en ut at formler innenfor klassisk fysikk ikke var gyldige på atomnivå. Det deterministiske syn på verden som hadde blitt utledet fra formlene måtte derfor bli avvist i sin opprinnelige form.

Fra kontinuerlige til diskrete krefter

Med moderne innsikt i kvantemekanikk og teknologi som kan akselerere partikler nær lysets hastighet, har en via partikkelfysikken utviklet Standardmodellen for å beskrive krefter mellom partikler som er mindre enn atomer. Standardmodellen forutsier at utveksling av partikler som kalles gaugebosoner er den grunnleggende årsak til at krefter frigjøres og absorberes. Bare fire viktigste interaksjoner er kjent, etter avtagende styrke er dette: Sterk-, elektromagnetisk-, svak- og gravitasjonskraft. Observasjoner innenfor Høyenergi partikkelfysikk som gjort i løpet av 1970 og 1980 bekreftet at de svake og elektromagnetiske krefter er uttrykk for en mer grunnleggende elektrosvak vekselvirkning.
Begrepet «kraft» beholder sin mening innenfor kvantemekanikk, selv om en nå arbeider med operatører i stedet for klassiske variabler, og fysikken beskrives av Schrödinger-ligningen i stedet for klassisk mekanikk. Dette har den konsekvens at resultatene av en måling nå ofte er «kvantifisert», det vil si at de forekommer i diskrete størrelser. Det er selvsagt vanskelig å tenke seg i forbindelse med krefter. Imidlertid vil potensialet , eller felter, hvorfra de krefter som vanligvis kan utledes vil bli behandlet på lignende måte som klassiske posisjonsvariable, det vil si som . Dette blir annerledes bare innenfor rammen av kvantefeltteori, hvor disse feltene også blir kvantifisert.
Allerede i kvantemekanikk er det en «påminnelse», nemlig at de partikler som virker inn på hverandre ikke bare har en romlig variabel, men også en diskret indre dreiemoment-lignende variabel kalt spinn, gitt av Paulis eksklusjonsprinsipp om rom og spinnvariabler. Avhengig av verdien av spinnet, er identiske partikler delt inn i to ulike klasser, nemlig fermioner og bosoner. Hvis to identiske fermioner (for eksempel elektroner) har et symmetrisk spinnfunksjon (for eksempel parallelle spinn) må de romlige variabler være asymmetriske. Det vil si at de utelukker hverandre fra sine plasser, mye som om det var en frastøtende kraft. Vice versa det vil si at for antiparallelle spinn må posisjons variablene være symmetrisk (det vil si den tilsynelatende kraften må være tiltrekkende). Således vil det i tilfelle av to fermioner være en strengt negativ korrelasjon mellom romlige- og spinnvariabler, mens for to bosoner (for eksempel kvanter av elektromagnetiske bølger, fotoner) er korrelasjonen strengt positiv. Dermed mister begrepet «kraft» en del av sin mening.

Feynman-diagram

I moderne partikkelfysikk er krefter og akselerasjonen av partikler forklart som en matematisk biprodukt ved utveksling av bevegelsesmengde-førende Gauge-bosoner. Med utviklingen av kvantefeltteori og generelle relativitet ble det innsett at kraft er et overflødig begrep som stammer fra bevaring av bevegelsesmengde (4-bevegelsesmengde) i relativitetsteorien og bevegelsesmengde av virtuelle partikkeler i Kvanteelektrodynamikk). Bevaring av bevegelses kan direkte avledes av homogenitet eller symmetri av rom som vanligvis blir ansett som mer fundamental enn konseptet med en kraft. Dermed er de nå kjente fundamentalkreftene ansett som mer presist å være «fundamentalinteraksjoner».
Når partikkel A avgir (skaper) eller absorberer (tilintetgjør) en virtuelle partikkel B, vil bevaring av bevegelsesmengden resulterer i rekylen av partikkel A fører til frastøting eller tiltrekning mellom partiklene A og A' til utveksling av B. Denne beskrivelsen gjelder for alle krefter som oppstår fra fundamentale interaksjoner. Avanserte matematiske beskrivelser er nødvendig for å forutsi fullt ut det  nøyaktig resultat av slike interaksjoner. Derimot er det begrepsmessig enkelt å beskrive slike interaksjoner gjennom bruk av Feynman-diagram. I et Feynman-diagram er hver enkelt  partikkel representert som en rett linje (verdenslinje) som går gjennom tiden, noe som normalt øker opp eller til høyre i diagrammet. Materie og anti-materiepartikler er identiske med unntak av deres forplantningsretning gjennom Feynman-diagrammet. Verdenslinjer av partikler som skjærer hverandre i interaksjonvertikaler, og Feynman-diagrammet representerer en hvilken som helst kraft som oppstår fra en vekselvirkning som forekommer ved toppunktet med en tilhørende umiddelbar endring i retningen av partikkels verdenslinje. Gauge-bosoner emiteres borte fra toppunktet som bølgete linjer, og i tilfelle av virtuelle partikkel utveksling absorberes disse på et tilstøtende toppunkt.
Nytten av Feynman-diagram er at andre typer fysiske fenomener som er en del av det generelle bildet av fundamentalkreftene, men er konseptuelt atskilt fra krefter, også kan beskrives ved hjelp av de samme reglene. For eksempel kan et Feynman-diagram beskrive i konsis detalj hvordan et nøytron nedbrytes til et elektron, proton og nøytrino, en interaksjon mediert av den samme gauge-bosonet som er ansvarlig for den svake kjernekraften.

Sterk kjernekraft

Det er to «kjernekrefter» som det i dag er vanlig å beskrive som interaksjoner som beskrives i den del av kvanteteorier som omhandler partikkelfysikk. Den sterke kjernekraften er kraften som er ansvarlig for den strukturelle integriteten til atomkjernene mens svak kjernekraft er ansvarlig for nedbrytning av visse nukleoner til leptoner og andre typer hadroner.
Den sterke kjernekraften er i dag forstått å representere interaksjon mellom kvarker og gluoner s som er beskrevet av teorien om kvantekromodynamikk Den sterke kjernekraft er en fundamentalkraft formidlet av gluoner, virker på kvarker, antikvarker, og gluoner selv. Den sterk kjernekraft er «sterkeste» av de fire fundamentale kreftene, derav navnet.
Den sterke kjernekraften virker bare direkte på elementærpartikler. Imidlertid er en rest av den kraften som observert mellom hadroner. Det mest kjente eksempel er den kraften som virker mellom nukleoner i atomkjerner som nukleærkraft. Her virker den sterk kjernekraften indirekte, overføres som gluoner, som utgjør en del av de virtuelle pi og rho mesoner, som klassisk overfører kjernekraften. De mange mislykkede søk etter frie kvarer har vist at elementærpartiklene som er berørt ikke er direkte observerbare. Dette fenomenet kalles fargesperring.

Svak kjernekraft

Den svake kjernekraft har sitt opphav i utveksling av tunge W- og Z-bosoner. Den mest kjente effekten er betahenfall (av nøytroner i atomkjerner) og den tilhørende radioaktivitet. Ordet «svak» er på grunn av det faktum at feltstyrken er rundt 10¹³ ganger mindre enn den for sterk kjernekraft. Likevel er den sterkere enn tyngdekraften over korte avstander. En konsistent elektrosvak teorien har også blitt utviklet, noe som viser at elektromagnetiske krefter og den svake kjernekraft er umerkbar ved temperaturer på i overkant av cirka 10¹⁵  Kelvin. Slike temperaturer har blitt undersøkt i moderne partikkelakseleratorer og viser forholdene i universet i de tidlige øyeblikk av Big Bang.

Størrelsen av krefter i forskjellige sammenhenger

Gravitasjonskraften er generelt den svakeste av de fire kreftene i naturen. Den svakeste kraften en kjenner til er gravitasjonskreftene mellom et proton og et elektron i et hydrogenatom som er på 3,6×10⁻⁴⁷ N. I den motsatte enden av kjente krefter er gravitasjonskraften mellom solen og Sagittarius A* som er på 1,2×10⁴⁴ N. For øvrig er Sagittarius A* en ekstremt lyssterk og kompakt radioaktiv kilde i Melkeveiens sentrum.
Av mer kjente størrelser i dagliglivet er vekten av et eple 1 N, og  vekten av en liter vann (1 kg) 9,81 N.