Perusvuorovaikutus

Perusvuorovaikutus on fysiikassa voima, jota ei voida eritellä pienempiin vuorovaikutuksiin sekä mekanismi, jolla tietyt alkeishiukkaset vuorovaikuttavat määrättyjen alkeishiukkasten kanssa.

Perusvuorovaikutuksia erikseen kuvaavia yhtälöitä käytetään yleisesti, sillä harvoin tulee eteen kokeellisia tai käytännön tilanteita, joissa jouduttaisiin ottamaan huomioon useamman kuin yhden perusvaikutuksen ilmiölle aiheuttamat muutokset.

Gravitaation yhdistäminen muiden vuorovaikutusten kanssa samaan teoriaan (Suureen yhtenäisteoriaan) on nykyfysiikan suurimpia haasteita.

Kaikki neljä vuorovaikutusta voidaan kuvata matemaattisesti kenttänä. Vuorovaikutusten voimakkuus voidaan esittää kentän vektorisuureina, eli niillä on tällöin suunta ja suuruus.

Perusvuorovaikutuksen välittyminen

Hiukkasteoria 

Mittabosoni on hiukkasteorian alkeishiukkanen, joka välittää perusvuorovaikutusta, joka liittyy johonkin jatkuvaan sisäiseen symmetriaan. Gravitaatiota lukuun ottamatta kaikki perusvuorovaikutukset osataan johtaa tällaisista symmetrioista. Hiukkasfysiikan standardimallin mittabosoneihin kuuluvat sähkömagneettista vuorovaikutusta välittävä fotoni, heikkoa vuorovaikutusta välittävät W- ja Z-bosonit sekä vahvaa vuorovaikutusta välittävä gluoni.

Jos vuorovaikutuksen taustalla oleva symmetria on tarkka, on vastaava mittabosoni massaton. Mikäli symmetria on rikkoutunut, voivat mittabosonit saada massan (ns. Higgsin mekanismi). Fotoni ja gluonit ovat massattomia, kun taas W- ja Z-bosonit ovat massallisia.

Mittabosonien spin on aina kokonaisluku, kuten muillakin bosoneilla. Kaikkien edellä mainittujen bosonien spin on 1. Usein oletetaan, että myös gravitaatiota välittäisi mittabosoni, gravitoni, jonka spin olisi 2.

Painovoima / gravitaatio 

Massojen vuorovaikutus; Klassisen fysiikan painovoima tai yleisen suhteellisuusteorian gravitaatio. Painovoima on Newtonin teoriassa massojen välinen vetovoima ja gravitaatiovoima on seurausta Albert Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian kuvaamasta aika-avaruuden kaarevuudesta. 

Painovoiman perussäännöt kehitettiin 1600-luvulla (Galilei, Newton).

Hiukkasfysiikassa gravitonit käsittävää kvanttigravitaation teoriaa ei toistaiseksi ole onnistuttu muotoilemaan matemaattisesti mielekkäällä tavalla.

Sähkömagneettinen vuorovaikutus 

sähkömagneettinen vuorovaikutus, joka vaikuttaa elektronien ja atomiydinten välillä sekä varautuneiden hiukkasten välillä, ja jolla voidaan selittää sähköiset ja magneettiset ominaisuudet kuten sähkökenttä, magneettikenttä ja sähkömagneettinen säteily. Sähkömagneettisen vuorovaikutuksen lainalaisuudet esitti 1800-luvun fyysikot (pääasiassa Maxwell).

Lorentzin voima on voima, jonka sähkömagneettinen kenttä aiheuttaa varattuun hiukkaseen. 
Hiukkaseen vaikuttaa sähkökentästä aiheutuva voima  ja magneettikentästä aiheutuva voima . 

Hiukkasfysiikassa sähkömagneettista vuorovaikutusta välittää fotoni.

Heikko vuorovaikutus 

heikko vuorovaikutus vaikuttaa atomiytimissä ja ilmentyy radioaktiivisuutena (esim. beeta-hajoaminen). Heikon vuorovaikutuksen löysivät 1920-luvun alun, radioaktiivisuuden selittäneet, fyysikot (muun muassa Heisenberg ja Paul Dirac).

Hiukkasfysiikassa heikkoa vuorovaikutusta välittävät W- ja Z-bosonit.

Vahva vuorovaikutus 

Vahva vuorovaikutus vaikuttaa kvarkkien välillä ja pitää täten kvarkeista koostuvat protonit ja neutronit koossa. Vahva vuorovaikutus pitää koossa myös atomiytimen kokonaisuutena. Vahvan vuorovaikutuksen teoriat on kehitetty selittämään hiukkaskiihdyttimissä havaittuja ilmiöitä. Hiukkasfysiikassa vahvaa vuorovaikutusta välittää gluoni.

Hiukkasfysiikan standardimalli 

1970-luvulla kolme näistä (heikko vuorovaikutus, vahva vuorovaikutus ja sähkömagneettinen vuorovaikutus) saatiin yhdistettyä standardimalliksi.

Hiukkasfysiikan standardimalli ei vielä (v. 2021) selitä neljännen perusvuorovaikutuksen suhteellisuusteoreettista vuorovaikutusta, gravitaatiota, joka vaikuttaa massallisten kappaleiden välillä.
Einsteinin kehittämää yleistä suhteellisuusteoriaa käytetään kuvaamaan tätä voimaa, joka havaitaan perushiukkasten suurten kasautumien välillä. Voiman teoreettinen välittäjähiukkanen - gravitoni - on kuitenkin vielä löytämättä; kvanttiteorian diskreettisyys ei ole yhteensopiva Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian jatkuvien funktioiden kanssa.

Gravitaatiovoima juontuu Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian kuvaamasta aika-avaruuden kaareutumisesta. Muut kolme voidaan nähdä diskreetteinä kvanttikenttinä, jolloin niiden vuorovaikutuksia välittävät hiukkasfysiikan standardimallin kuvaamat alkeishiukkaset:

Mitä perusvuorovaikutukset eivät selitä? 

Perusvuorovaikutukset eivät selitä hypoteettisen pimeän energian hypoteettista hylkimisvoimaa galaksijoukkojen välillä; eli maailmankaikkeuden kiihtyvää laajenemista, joka on kuitenkin voitu todelliseksi ilmiöksi todeta.

Lähteet 

Perusvuorovaikutukset