Maailmankaikkeus
Perusvuorovaikutukset ja luonnonlait

| Perusvuorovaikutus | Suhteellinen voimakkuus (Pyöristettynä lähimpään kymmenen potenssiin) |
| --- | --- |
Gravitaatio: 1
Heikko vuorovaikutus: 1033
Sähkömagneettinen: 1037
Vahva vuorovaikutus: 1039
Maailmankaikkeudessa vaikuttaa neljä tunnettua perusvuorovaikutusta: vahva vuorovaikutus, heikko vuorovaikutus, sähkömagneettinen vuorovaikutus ja gravitaatio. Näistä voimista heikon ja vahvan vuorovaikutuksen kantama on hyvin rajallinen, ja ne rajautuvat atomiytimen sisäpuolelle: vahva vuorovaikutus sitoo atomin ytimen kvarkit toisiinsa ja heikko vuorovaikutus puolestaan aiheuttaa radioaktiivisuuden. Gravitaation ja sähkömagneettisen vuorovaikutuksen kantama puolestaan on ääretön, vaikka ne pitkillä etäisyyksillä heikkenevätkin. Suuressa mittakaavassa kaikkeuden sähkömagneettiset vuorovaikutukset kuitenkin usein kumoavat toisensa, joten suuren mittakaavan rakennetta hallitsee voimista ylivoimaisesti heikoin, gravitaatio.
Alkuräjähdysteorian mukaan maailmankaikkeuden ensimmäisinä olemassaolon hetkinä olosuhteet olivat lämpötilan ja energiatiheyden kannalta sellaiset, että kaikki perusvoimat gravitaatiota lukuun ottamatta olivat sulautuneet yhdeksi, samaksi voimaksi. Noin 10−35 sekunnin kuluttua alkuräjähdyksestä vahva ydinvoima irtautui omaksi voimakseen ja noin 10−10 sekunnin kuluttua loput kaksi voimaa. Näin maailmankaikkeuden suuri yhtenäisepookki oli päättynyt. Viime aikoina on pyritty kehittämään niin sanottua suurta yhtenäisteoriaa, joka selittäisi nämä kolme vuorovaikutusta yhtenä ja samana voimana. Tästä puolestaan voitaisiin edetä kohti niin sanottua kaiken teoriaan, joka yhdistäisi tähän samaan teoriaan muiden perusvuorovaikutusten lisäksi myös gravitaation. Toistaiseksi vuorovaikutusten yhdistämisessä yhden teorian alle ei ole onnistuttu, vaikka lukuisia ehdokasteorioita onkin runsaasti.
Hiukkasfysiikan standardimallissa perusvuorovaikutusten välittymistä voidaan kuvata vuorovaikutuksia välittävien hiukkasten mittabosonien, vaihdolla. Vahvan vuorovaikutuksen välittäjähiukkanen on gluoni, sähkömagneettisen fotoni ja heikon W- ja Z-bosonit. On esitetty, että myös gravitaatiolla olisi oma välittäjähiukkasensa, gravitoni. Hiukkasta ei kuitenkaan ole koskaan havaittu johtuen gravitaatiovoiman heikkoudesta suhteessa muihin voimiin. Näiden lisäksi standardimalli ennustaa viidennen bosonin, Higgsin bosonin, olemassaoloa. Hiukkanen selittäisi alkeishiukkasten massan niin sanotun Higgsin mekanismin kautta: Higgsin hiukkanen toimii välittäjähiukkasena Higgsin kentälle, jonka kanssa vuorovaikuttamalla alkeishiukkaset saavat massan. Se ei kuitenkaan selitä esimerkiksi sitä, miksi eri alkeishiukkaset ovat erimassaisia, eikä myöskään massaa koko maailmankaikkeudessa, sillä vain 4,9 % sen massaenergiasta koostuu tavallisista hiukkasista. Higgsin bosonin kaltainen hiukkanen havaittiin CERNissä 4. heinäkuuta 2012. Löydön todenperäisyyttä tutkitaan edelleen, mutta se toistaiseksi vaikuttaa todelliselta. Bosonin olemassaolo varmistettiin alustavasti 14. maaliskuuta 2013. Bosonin ominaisuuksien tutkimuksen edetessä voidaan myös tutkia sen vaikutusta maailmankaikkeuden lopulliseen kohtaloon. Tämänhetkiset tulokset viittaavat, että bosoni saattaisi kaukaisessa tulevaisuudessa mahdollistaa syklisen maailmankaikkeuden, jos nykyinen maailmankaikkeus on vain metastabiili ”kupla”. Tällöin jonkinlainen kvanttifluktuaatio saattaisi synnyttää maailmankaikkeuden sisälle alemmalla energiatasolla olevan ”kuplan”, joka jatkaisi laajenemistaan valonnopeudella korvaten lopulta nykyisen maailmankaikkeuden.