כוחות היסוד

כוח יסוד (או תגובת יסוד) הוא מנגנון לפיו חלקיקים מגיבים האחד עם השני, בצורה שאינה מוסברת על ידי כוח בסיסי יותר. כל תופעה פיזיקלית בסיסית, החל בהתנגשות גלקסיות וכלה בתנועת קווארקים בפרוטון, מוסברת באמצעות מנגנון כזה. בגלל החשיבות הבסיסית של מנגנון זה, המחקר אודות כוחות היסוד מעסיק פיזיקאים כבר מאז המאה ה-19 וביתר שאת מאז אמצע המאה ה-20. הפיזיקה המודרנית מונה ארבעה כוחות יסוד: כוח הכבידה, הכוח האלקטרו-מגנטי, הכוח הגרעיני החזק והכוח הגרעיני החלש. עוצמתם והתנהגותם היא מאוד מגוונת, כפי שניתן לראות בטבלה שלהלן. אף על פי כן, כיום, רבים סבורים כי חלק מהכוחות האלו הם למעשה צורת התגלמות שונה של כוח אחד בסיסי יותר. כך לדוגמה, בעבר, הכוח החשמלי והכוח המגנטי נחשבו לכוחות נפרדים, וכעת נתפסים כשני היבטים של כוח יחיד – הכוח האלקטרומגנטי. כיום, התגלה כי הכוח האלקטרומגנטי והכוח הגרעיני החלש, הם למעשה שני היבטים של הכוח האלקטרו-חלש. כוחות אלו "מתאחדים" רק בתגובות אנרגטיות יותר (הנוצרות למשל במאיצי-חלקיקים), ובאנרגיה נמוכה – נדמים ככוחות נפרדים. תאוריה בשם התאוריה המאוחדת הגדולה מנסה לאחד את הכוח האלקטרו-חלש עם הכוח הגרעיני החזק, אולם היא עדיין אינה עומדת במבחן הניסוי. ובאשר לכוח הכבידה, הניסיון לאחד אותו עם שלושת הכוחות האחרים מציב עד עתה אתגרים רבים. התורה אשר תאחד את כוח הכבידה עם כוחות קוואנטום עדיין לא פותחה, אולם היא מכונה תורת כבידה קוונטית. לא ניתן לתאר את אופן הפעולה של כוחות היסוד באותם מונחים המשמשים את הפיזיקה הקלאסית של אייזק ניוטון (ומסיבה זו, לרוב מכנים אותם תגובות יסוד ולא כוחות יסוד). התפיסה המודרנית של מכניקת קוואנטום גורסת כי שלושת כוחות היסוד (מלבד כבידה), פועלים בצורה הבאה: חלקיקי חומר (פרמיונים) לא מגיבים אחד עם השני ישירות. הם נושאים מטען כלשהו (כגון מטען חשמלי), ומחליפים ביניהם חלקיקים וירטואליים (הנקראים בוזוני כיול או בוזוני כוח), אשר למעשה נושאים את הכוח בין החלקים. במילים אחרות, חלקיקים אלמנטריים מפעילים כוחות אחד על השני באמצעות בוזוני כיול אשר הם מעבירים ביניהם. כך למשל, פוטונים הם החלקיקים אשר נושאים את הכוח בין חלקיקים הטעונים במטען חשמלי, וגורמים להם להימשך או להידחות אחד מן השני. ערך מורחב – כבידה כוח הכבידה הוא הכוח החלש ביותר מבין כוחות היסוד. עם זאת, יש לו השפעה רבה על מבנה היקום ועל תנועתם של עצמים במרחב מפני שהוא פועל לטווחי מרחק אינסופיים ללא מיסוך או ביטול. כיוון שכוחות הכבידה המופעלים על ידי כל המסות הנתונות באזור מסוים מסתכמים יחדיו, יש לכוכבי לכת, כוכבים וגלקסיות כוח כבידה משמעותי. לצורך השוואה, השדה החשמלי הכולל שמפיצים גופים אלו למרחקים גדולים הוא בערך אפס, כיוון שבממוצע שורר שוויון בין סכום המטענים החיוביים וסכום המטענים השליליים בהם כך שהם מבטלים זה את זה. בנוסף לכך פועלת הכבידה על כל גוף ואנרגיה, בשונה מהכוחות האחרים הפועלים רק על גופים בעלי "מטען" מתאים (לדוגמה, הכוח האלקטרומגנטי פועל רק על גוף בעל מטען חשמלי). מכיוון שהכבידה פועלת למרחקים גדולים מאוד היא אחראית באופן ישיר לא רק לתופעות מוכרות מחיי היומיום על פני כדור הארץ ולתופעות אסטרונומיות כגון תנועת כוכבי לכת במסלוליהם אלא למגוון רחב של תופעות קוסמולוגיות, ובהן היווצרות חורים שחורים, היווצרות והתפתחות גלקסיות וצביריהן, והיווצרות פילמנטים גלקטיים המאפיינים את מבנה היקום בכללותו. הכבידה היא כוח היסוד הראשון אשר תואר בצורה מתמטית. בימי קדם, אריסטו סבר כי גופים בעלי מסה שונה ייפלו בקצב שונה. במהלך המהפכה המדעית, גלילאו גליליי ערך ניסויים אשר הוכיחו כי סברה זו שגויה: אם נזניח את החיכוך שיוצר האוויר, כל הגופים נופלים לאדמה באותה תאוצה. חוקי הכבידה של אייזק ניוטון (1687) היוו קירוב טוב לאופן פעולתה של הכבידה. בשנת 1915, אלברט איינשטיין השלים את תורת היחסות הכללית, המעניקה תיאור מדויק יותר של הכבידה במונחים של גאומטריית מרחב-זמן. כיום מרוכזים מאמצי מחקר בניסיון לאחד את תורת היחסות הכללית - המיטיבה לתאר את התגובות המתרחשות בקנה המידה הגדול של גלקסיות וכוכבים, ואת מכניקת הקוואנטים - המיטיבה לתאר את התגובות המתרחשות בקנה המידה הזעיר של אטומים וחלקיקים, במסגרת תורת כבידה קוונטית. על פי כמה מודלים קיימים אמורה הכבידה להשתלב בתורה כזו באמצעות חלקיק היפותטי הקרוי גרביטון. על אף שתורת היחסות הכללית מצליחה לתאר את הכבידה בסקלה הלא-קוואנטית של המציאות בצורה מדויקת בדרך כלל, קיימות לצידה מספר תאוריות חלופיות המנסות להסביר את תופעת הכבידה. על מנת לזכות להתייחסות חיובית בקרב קהיליית הפיזיקאים מנסים מפתחיהן של התורות החילופיות לתמוך את הניבויים הייחודיים הנובעים מהן בניסויים ותצפיות אשר תוצאותיהם אינם עולים בקנה אחד עם ניבויי תורת היחסות הכללית. ערך מורחב – אלקטרומגנטיות הכוח האלקטרומגנטי הוא הכוח הפועל בין חלקיקים בעלי מטען חשמלי. הוא כולל את הכוח האלקטרוסטאטי, הפועל בין מטענים הנמצאים במצב מנוחה (מטענים נייחים), וכן את האפקט המשולב של הכוחות החשמליים והכוחות המגנטיים, הפועלים על מטענים אשר נעים אחד ביחס לשני. כוח זה הוא כוח חזק יחסית הפועל בקנה מידה גדול, ומתאר תופעות רבות מחיי היומיום שלנו: החל בלייזרים ובמקלטי רדיו, עד מבנה האטום והמבנה של מתכות וכלה בחיכוך ובהופעת הקשת בענן. בקנה מידה קטן יותר, הכוח גורם למשל למשיכה בין שני מטענים שסימנם הפוך ודחייה בין שני מטענים שסימנם דומה. תופעת החשמל ותופעת המגנטיות נצפו עוד בימי קדם, אולם רק במאה ה-19 התגלה כי מדובר בשני היבטים של כוח יחיד. בשנת 1864, ג'יימס קלרק מקסוול הצליח לתאר מתמטית את תופעת האלקטרומגנטיות, המאחדת את הכוח החשמלי והכוח המגנטי, ומשואותיו היו אחד ההישגים האדירים של הפיזיקה בתקופתו. אחת המשמעויות של משוואות מקסוול, הייתה שהאור הוא למעשה גל אלקטרומגנטי, כלומר גל העובר בשדה האלקטרומגנטי. בשנת 1905, איינשטיין פיתח את תורת היחסות הפרטית, וקבע באמצעותה כי מהירות האור קבועה. בנוסף, הצליח להסביר את האפקט הפוטואלקטרי, בכך שהניח כי האור מחולק לקוואנטות - ולמעשה בנוי מחלקיקים, אשר כונו פוטונים. בין השנים 1927 עד 1940, פול דיראק איחד את מכניקת הקוונטים עם תורת היחסות הפרטית, ויצר את תורת האלקטרודינמיקה הקוונטית. על פי תורה זו, חלקיקים טעונים מגיבים על ידי העברת מידע באמצעות פוטונים. בשנת 1919, תיאודור קלוצה הבחין בתכונה מוזרה של האלקטרומגנטיות, והיא: משוואות התורה האלקטרומגנטית הקלאסית של מקסוול נובעות בצורה טבעית ממשוואות תורת היחסות הכללית של איינשטיין, כאשר מניחים שלמרחב יש ממד רביעי. תכונה זו היא הבסיס לתאוריית קלוצה-קליין, אשר סייעה למאמצים לפיתוח תורת כבידה קוונטית. ערך מורחב – הכוח הגרעיני החזק לפני שנות ה-70, כאשר האמינו כי פרוטונים ונייטרונים הם חלקיקים אלמנטריים, מדענים השתמשו במונח "כוח חזק" לתיאור הכוח המחזיק אותם יחד בגרעין האטום. כאשר התגלו הקווארקים המרכיבים את הפרוטונים והנייטרונים, וכאשר התפתחה התורה של כרומודינמיקה קוונטית, מושג הכוח הגרעיני החזק שימש לתיאור הכוח המחזיק קווארקים ואנטי-קווארקים יחדיו. על פי התורה של כרומודינמיקה קוונטית (QCD), הכוח הגרעיני החזק מועבר בעזרת גלואונים בצורה דומה לדרך שבה הכוח האלקטרומגנטי מועבר באמצעות פוטונים. הכוח פועל בין חלקיקים אשר נושאים "מטען צבע" – קווארקים וגלואונים. מאפיין ייחודי של כוח זה, הוא שהחלקיקים המעבירים את הכוח – הגלואונים, יכולים להגיב בינם לבין עצמם, כיוון שגם להם יש מטען צבע. תכונה זו יוצרת אי-תלות של הכוח במרחק, ואפשר להסיק מכך כי הכוח פועל על גבי מרחק אינסופי. עם זאת, בפועל, כאשר החלקיקים המגיבים בתגובה זו מתרחקים, האנרגיה האגורה בשדה הכוח גדלה עד כדי כך שהיא יכולה ליצור צמדי חלקיק ואנטי-חלקיק חדשים. מנגנון זה מבטיח שקווארק לא יוכל להופיע בודד. הכוח המחזיק את הפרוטונים והנייטרונים (נוקליאונים) יחדיו בגרעין האטום, הוא הכוח הגרעיני, שהוא תוצאה של הכוח הגרעיני החזק. מכיוון שעד לטווח מסוים, הכוח הגרעיני חזק יותר מהכוח האלקטרומגנטי, הוא יכול בנקל להחזיק פרוטונים רבים יחדיו בגרעין האטום, על אף הדחייה החשמלית העצומה שלהם. ערך מורחב – הכוח הגרעיני החלש הכוח הגרעיני החלש נקרא בשמו כיוון שהוא חלש פי כ-1013 מהכוח הגרעיני החזק. כוח זה אחראי על תופעות מסוימות בקנה המידה הזעיר של גרעין האטום, כגון התפרקות בטא – תהליך בו מתפרק נייטרון לפרוטון, כאשר הוא פולט אלקטרון ואנטי-נייטרינו אלקטרוני. התגובה החלשה היא ייחודית, שכן מדובר בתגובה היחידה המוכרת בטבע אשר אינה שומרת על סימטריית מראה (סימטריית C), ובכך שוברת את חוק שימור השניות. פירוש הדבר הוא, שאם עורכים ניסוי הכולל תגובה חלשה, ועורכים את אותו הניסוי כאשר הוא נראה כתמונת-מראה של הניסוי הראשון – התוצאה לא תהיה זהה. הכוח שובר גם סימטריית CP (המשלבת הן סימטריית מראה והן סימטריית מטען), אולם אינו שובר סימטריית CPT (המשלב בתוכו גם סימטריית זמן בנוסף לשתי הסימטריות האחרות). כיום, הכוח האלקטרומגנטי והכוח הגרעיני החלש מתוארים כשני היבטים שונים של אותו כוח – הכוח האלקטרו-חלש. את הכוח האלקטרו-חלש המאוחד ניתן לראות רק באנרגיות גבוהות, הנוצרות בתנאים של מאיץ חלקיקים. הבנת "איחודם" של שני הכוחות הייתה הצעד הראשון בדרך לפיתוח תורה מאוחדת לכל הכוחות, המכונה המודל הסטנדרטי. המודל הסטנדרטי הוא תורה קוונטום-מכנית מאוחדת של שלושה כוחות: הכוח האלקטרומגנטי, הכוח הגרעיני החלש והכוח הגרעיני החזק. כיום, על אף שקיימות תורות המנסות לשלב את הכבידה במכניקת הקוונטים (למשל תורת המיתרים), לא קיימת תורה אשר מקובלת על הכל כמועמדת ברורה להיות תורת הכבידה הקוונטית. החיפוש אחר תורה מתקבלת על הדעת של כבידה קוונטית, וכן חיפוש אחר תאוריה מאוחדת גדולה, הם תחומים חשובים במחקר הפיזיקה של ימינו. בשנים האחרונות נחקרת אפשרות תאורטית לקיומו של כוח יסודי חמישי. המודל הסטנדרטי תורת היחסות חלקיקים אלמנטריים מיון החלקיקים Feynman, Richard P. (1967). The Character of Physical Law. MIT Press. ISBN 0-262-56003-8 Weinberg, S. (1993). The First Three Minutes: A Modern View of the Origin of the Universe. Basic Books. ISBN 0-465-02437-8 Weinberg, S. (1994). Dreams of a Final Theory. Vintage Books USA. ISBN 0-679-74408-8 Padmanabhan, T. (1998). After The First Three Minutes: The Story of Our Universe. Cambridge University Press. ISBN 0-521-62972-1 Perkins, Donald H. (2000). Introduction to High Energy Physics. Cambridge University Press. ISBN 0-521-62196-8 מדיה וקבצים בנושא כוחות היסוד בוויקישיתוף topic/fundamental-symmetry כוחות היסוד, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית) אבי בליזובסקי, ‏פיזיקאים תיאורטיקנים: גילינו חלקיק המפעיל את הכוח החמישי בטבע, באתר "הידען", 23 באוגוסט 2016