Temel kuvvet

Temel etkileşimler veya Temel kuvvetler, fiziksel sistemlerde daha temel etkileşimlere indirgenemeyen etkileşimlerdir. Bilinen dört temel etkileşim vardır. Bunlar uzun mesafelerde etkileri olabilen kütleçekimsel, elektromanyetik etkileşimler ve atomaltı mesafelerde etkili olan güçlü nükleer ve zayıf nükleer etkileşimlerdir. Her biri bir alan dinamiği olarak anlaşılmalıdır. Bu dört etkileşim de matematiksel açıdan bir alan olarak modellenebilir. Kütleçekim, Einstein'ın genel görelilik kuramı tarafından tanımlanan uzay-zamanın eğriliğe atfedilirken diğer üçü ayrı kuantum alanlar olarak nitelendirilir ve etkileşimlerine Parçacık fiziğinin Standart Modeli tarafından tanımlanan temel parçacıklar aracılık eder.
Standart Modelde, güçlü etkileşim, gluon adı verilen bir parçacık tarafından taşınır ve kuarkların proton ve nötron gibi hadronları oluşturmak üzere birbirine bağlanmasından sorumludur. Kalıntı etkisi olarak da atom çekirdeklerini oluşturmak için son parçacıkları bağlayan nükleer kuvveti yaratır. Zayıf etkileşim, W ve Z bozonları adı verilen parçacıklar tarafından taşınır ve ayrıca radyoaktif bozunuma aracılık ederek atomların çekirdeğine etki eder. Foton tarafından taşınan elektromanyetik kuvvet, yörünge elektronları ile atomları bir arada tutan atom çekirdekleri arasındaki çekimden sorumlu olan elektrik ve manyetik alanları, kimyasal bağları ve görünür ışık dahil elektromanyetik dalgaları ve elektrik teknolojisinin temellerini oluşturur. Elektromanyetik kuvvet Kütleçekiminden çok daha güçlü olmasına rağmen, büyük nesneler içinde kendini iptal etme eğilimindedir, bu nedenle astronomik mesafelerde kütleçekim baskın kuvvet olma eğilimindedir ve evrendeki gezegenler, yıldızlar ve gökadalar gibi büyük ölçekli yapıları bir arada tutmaktan sorumludur.
Birçok kuramsal fizikçi, bu temel kuvvetlerin ilişkili olduğuna ve çok yüksek enerjilerde çok küçük bir ölçekte, Planck ölçeğinde tek bir kuvvette birleştiğine inanır, ancak parçacık hızlandırıcıları bunu deneysel olarak araştırmak için gereken muazzam enerjileri üretemez. Kuvvetler arasındaki ilişkiyi tek bir kuramda açıklayacak ortak bir çerçeve oluşturmak, günümüz kuramsal fizikçilerinin belki de en büyük hedefidir. Zayıf ve elektromanyetik kuvvetler, 1979 Nobel Fizik Ödülü'nü aldıkları Sheldon Glashow, Abdus Salam ve Steven Weinberg tarafından sunulan Elektrozayıf kuramı ile zaten birleştirildi. Bazı fizikçiler, Büyük Birleşik Kuram (GUT) olarak adlandırılan şey içinde elektro-zayıf ve güçlü alanları birleştirme arayışındadır. Daha da büyük bir zorluk, Kütleçekimini diğer üç kuvvetle ortak bir kuramsal çerçevede birleştirecek bir kuantum kütleçekim (QG) kuramı ile sonuçlanan kütleçekim alanını nicelemenin bir yolunu bulmaktır. Bazı kuramlar, özellikle sicim kuramı, hem Kuantum kütleçekimini hem de Büyük Birleşik Kuramı tek bir çerçevede araştırır ve dört temel etkileşimin tümünü ve kütle oluşumunu Her şeyin kuramı(ToE) içinde birleştirir.
Tarihçe
Klasik Fizik
Ana madde: Klasik Fizik
Isaac Newton, 1687 yılında yayınladığı kitabında, uzayı, tüm nesnelerin önünde, içinde ve çevresinde var olan, durumları ve ilişkileri her yerde sabit bir hızla, dolayısıyla mutlak uzay ve zaman olarak ortaya çıkan sonsuz ve değiştirilemez bir fiziksel yapı olarak kabul etti. Bu kabule göre her bir noktasal kütle diğer noktasal kütleyi, ikisini birleştiren bir çizgi doğrultusundaki bir kuvvet ile çeker. Bu kuvvet bu iki kütlenin çarpımıyla doğru orantılı, aralarındaki mesafenin karesi ile ters orantılıdır. Evrensel kütleçekim yasası, tüm nesneler arasında anında etkileşim olduğunu ima etti. Geleneksel olarak yorumlandığı gibi, Newton'un hareket kuramı, iletişim aracı olmayan bir merkezi kuvveti modelledi. Böylece Newton'un kuramı, Descartes'a geri dönerek, uzaktan hiçbir hareket olmaması gerektiği geleneğini ihlal etti. Michael Faraday, 1820'lerde manyetizmayı açıklarken, nihayetinde tüm kuvvetlerin tek bir güçte birleştiğini varsayarak alanı dolduran ve bu kuvveti ileten bir alan çıkardı.
1873'te James Clerk Maxwell, elektrik ve manyetizmayı, üçüncü sonucu ışık olan bir elektromanyetik alanın etkileri olarak birleştirdi ve vakumda sabit hızda hareket etti. Elektromanyetik alan kuramı tüm eylemsiz referans çerçevelerinde doğru olsaydı, bu Newton'un Galilean göreliliğine dayanan hareket kuramıyla çelişirdi. Bunun yerine, onun alan kuramı, yalnızca mekanik bir ışık saçan etere göre hareketsiz durumdaki referans çerçevelerine uygulansaydı - ister madde içinde ister boşlukta tüm uzayı doldurduğu ve elektromanyetik alanı tezahür ettirdiği varsayılırsa - o zaman Galilean göreliliği ve Newton'un göreliliği ile uzlaştırılabilirdi. yasalar. (Ancak, böyle bir "Maxwell eter" daha sonra çürütüldü; aslında Newton yasalarının değiştirilmesi gerekiyordu.)
Standart Model
Ana madde: Standart Model
Parçacık fiziğinin Standart Modeli, 20. yüzyılın ikinci yarısında geliştirildi. Standart Modelde elektromanyetik etkileşimler, güçlü ve zayıf etkileşimler, davranışları kuantum mekaniğinde modellenen temel parçacıklarla ilişkilendirilirken. Kuantum mekaniğinin istatiksel sonuçlarıyla tahmine dayalı başarı için, parçacık fiziği geleneksel olarak kuantum mekaniği olaylarını özel göreliliğe, tamamen göreli kuantum alan kuramına göre ayarlanmış bir alanda modeller. Ayar bozonları olarak adlandırılan kuvvet parçacıkları (kuvvet taşıyıcıları veya altta yatan alanların haberci parçacıkları), fermiyon adı verilen madde parçacıklarıyla etkileşime girer. Gündelik madde, üç fermiyon türünden oluşan atomlardır: yukarı-kuarklar, aşağı-kuarklar ve çekirdek yörüngesindeki elektronlar. Atomlar etkileşime girer, moleküller oluşturur ve elektromanyetik alanın kuvvet taşıyıcısı olan fotonları emen ve yayan elektronları arasındaki elektromanyetik etkileşimler yoluyla başka özellikler gösterir; bu, engellenmediğinde potansiyel olarak sonsuz mesafeyi kat eder. Elektromanyetizmanın kuantum alan kuramı, kuantum elektrodinamiğidir.
Zayıf etkileşimin kuvvet taşıyıcıları, büyük W ve Z bozonlarıdır. Elektrozayıf kuram, hem elektromanyetizma hem de zayıf etkileşimi kapsar. Büyük Patlama'dan kısa bir süre sonra yüksek sıcaklıklarda, zayıf etkileşim, elektromanyetik etkileşim ve Higgs bozonu orijinal olarak farklı bir dizi eski simetri öncesi-kırma alanlarının karışık bileşenleriydi. Erken evren soğudukça, bu alanlar uzun menzilli elektromanyetik etkileşim, kısa menzilli zayıf etkileşim ve Higgs bozonu olarak ayrıldı. Higgs mekanizmasında, Higgs alanı, bazı kuantum parçacıkları ile bu parçacıklara kütle kazandıracak şekilde etkileşime giren Higgs bozonlarını gösterir. Kuvvet taşıyıcısı gluon olan ve kuarklar arasında çok küçük bir mesafeyi kateden güçlü etkileşim, kuantum renk dinamiğinde modellenmiştir. Elektrozayıf kuramı, Kuantum renk dinamiği ve Higgs mekanizması, parçacık fiziğinin Standart Modelini içerir. Tahminler genellikle hesaplamalı yaklaşım yöntemleri kullanılarak yapılır, ancak bu tür pertürbasyon kuramı bazı deneysel gözlemleri (örneğin bağlı durumlar ve solitonlar) modellemek için yetersizdir. Yine de fizikçiler, Standart Model'i bilimin deneysel olarak en doğrulanmış kuramı olarak kabul ederler.
Standart Model ötesi fizikte, bazı kuramcılar, bir Büyük Birleşik kuram içinde elektro-zayıf ve güçlü etkileşimleri birleştirmek için çalışırlar. Büyük birleşik kuramın "gölge" parçacıkları varsayımına yönelik bazı girişimler, öyle ki bilinen her madde parçacığı keşfedilmemiş bir kuvvet parçacığıyla birleşir ve bunun tersi de tamamen süpersimetridir. Diğer kuramcılar, varsayımsal kuvvet taşıyıcısı olan gravitonun modelleme davranışıyla Kütleçekimi alanını nicelemeye ve kuantum kütleçekimine ulaşmaya çalışırlar. Kuantum kütleçekimine bir yaklaşım, Kuantum çekim döngüsüdür. Yine diğer kuramcılar, dört temel etkileşimin tümünü bir Her Şeyin Kuram'ına indirgeyerek hem kuantum kütleçekimini hem de büyük birleşik kuramını tek bir çerçevede ararlar. Her şeyin kuramının en yaygın amacı sicim kuramıdır, ancak madde parçacıklarını modellemek için, parçacıkları zorlamak için süpersimetriyi eklemiştir ve bu nedenle, kesin konuşmak gerekirse, Süpersicim kuramı haline gelmiştir. Görünüşte farklı süpersicim kuramleri, bir omurga, M-kuramı üzerinde birleştirildi. Standart Modelin ötesindeki kuramler, büyük deneysel destekten yoksun olunmasından kaynaklı olarak oldukça spekülatif olmaya devam ediyor.
Temel etkileşimlere genel bakış
Temel etkileşimlerin kavramsal modelinde, madde, yük ve spin ±1⁄2 (dönü ±ħ⁄2, burada ħ indirgenmiş Planck sabitidir) adı verilen özellikleri taşıyan fermiyonlardan oluşur. Bozonları değiştirerek birbirlerini çeker veya iterler.
Pertürbasyon kuramındeki herhangi bir fermiyon çiftinin etkileşimi daha sonra şu şekilde modellenebilir:
İki fermiyon giriyor - bozon değişimi ile etkileşim - İki değiştirilmiş fermiyon çıkıyor.
Bozonların değişimi her zaman fermiyonlar arasında enerji ve momentum taşır, böylece hızlarını ve yönlerini değiştirirler. Değişim, işlemdeki fermiyonların yüklerini değiştirerek (örneğin, onları bir tür fermiyondan diğerine çevirerek) fermiyonlar arasında bir yük taşıyabilir. Bozonlar bir birim açısal momentum taşıdığından, böyle bir değiş tokuş sırasında (indirgenmiş Planck sabitinin birimlerinde) fermiyonun dönüş yönü +1⁄2'den -1⁄2'ye (veya tam tersi) dönecektir. Bu tür etkileşimler momentumda bir değişiklikle sonuçlandığından, klasik Newton kuvvetlerine yol açabilirler. Kuantum mekaniğinde fizikçiler genellikle "kuvvet" ve "etkileşim" terimlerini birbirinin yerine kullanırlar; örneğin, zayıf etkileşim bazen "zayıf kuvvet" olarak adlandırılır.
Mevcut anlayışa göre, dört temel etkileşim veya kuvvet vardır: çekim kuvveti, elektromanyetizma, zayıf etkileşim ve güçlü etkileşim. Büyüklükleri ve davranışları, aşağıdaki tabloda açıklandığı gibi büyük ölçüde değişir. Modern fizik, gözlemlenen her fiziksel fenomeni bu temel etkileşimlerle açıklamaya çalışır. Ayrıca, farklı etkileşim türlerinin sayısının azaltılması arzu edilir olarak görülmektedir. Söz konusu iki durum aşağıdakilerin birleştirilmesidir:
Elektromanyetizmaya elektrik ve manyetik kuvvet;
Elektrozayıf etkileşime elektromanyetik etkileşim ve zayıf etkileşim.
Tabloda verildiği gibi ilişkili potansiyelin hem büyüklüğü ("bağıl şiddet") hem de "menzili" yalnızca oldukça karmaşık bir kuramsal çerçeve içinde anlamlıdır. Aşağıdaki tablo, devam eden araştırmaların konusu olmaya devam eden kavramsal bir şemanın özelliklerini listeler.
Kütleçekim dışındaki temel kuvvetlerin modern kuantum mekanik görünümü, madde parçacıklarının birbirleriyle doğrudan etkileşime girmediği, bunun yerine bir yük taşıdığı ve etkileşim taşıyıcıları veya kuvvet aracıları olan sanal parçacıkları değiştirdiği yönündedir. Örneğin, fotonlar elektrik yüklerinin etkileşimine aracılık eder ve gluonlar renk yüklerinin etkileşimine aracılık eder. Tam kuram, bozonları değiş tokuş eden fermiyonların ötesinde bozulmaları içerir; bu ek bozulmalar, fermiyon alışverişi yapan bozonların yanı sıra parçacıkların yaratılmasını veya yok edilmesini içerebilir: örnekler için Feynman diyagramlarına bakınız.
Kütleçekim Kuvveti
Çekim Kuvveti, elektromanyetik etkileşimlerin hakim olduğu atom ölçeğindeki dört etkileşimin açık ara en zayıfıdır. Ancak Kütleçekiminin zayıflığının, basit bir mıknatıs (bir buzdolabı mıknatısı gibi) kullanılarak bir pimin askıya alınmasıyla kolayca gösterilebileceği fikri temelde kusurludur. Mıknatısın pimi tüm Dünya'nın kütleçekimine karşı tutabilmesinin tek nedeni, göreceli yakınlığından kaynaklanmaktadır. Mıknatıs ve pim arasında bir kırılma noktasına ulaşıldığı açık bir şekilde kısa bir mesafe vardır ve Dünya'nın büyük kütlesi nedeniyle bu mesafe oldukça küçüktür.
Kütleçekim, iki nedenden dolayı astronomik mesafelerde astronomik nesneler için dört temel kuvvetten en önemlisidir. Birincisi, Kütleçekimi, elektromanyetizma gibi, ancak güçlü ve zayıf etkileşimlerin aksine, sonsuz bir menzile sahiptir. İkincisi, çekim kuvveti her zaman çeker ve asla itmez; aksine, astronomik cisimler neredeyse nötr net elektrik yüküne yönelirler, öyle ki bir tür yükün çekimi ve karşı yükün itmesi çoğunlukla birbirini iptal eder.
Elektromanyetizma Kütleçekiminden çok daha güçlü olsa da, gezegenler, yıldızlar ve galaksiler gibi büyük gök cisimleri için elektrostatik çekim geçerli değildir, çünkü bu tür cisimler eşit sayıda proton ve elektron içerir ve dolayısıyla net elektrik yükü sıfırdır. Çekici veya itici olabilen elektrik kuvvetlerinin aksine, yalnızca çekici olduğu için hiçbir şey kütleçekimi "iptal etmez". Öte yandan, kütlesi olan tüm nesneler, yalnızca çekim kuvvetine tabidir. Bu nedenle, evrenin büyük ölçekli yapısında yalnızca kütleçekim önemlidir.
Uzun menzili, galaksilerin ve kara deliklerin yapısı gibi büyük ölçekli fenomenlerden sorumlu kütleçekimi kılar ve evrenin genişlemesini geciktirir. Kütleçekim ayrıca, gezegen yörüngeleri gibi daha mütevazı ölçeklerde astronomik fenomenleri ve ayrıca günlük olayları açıklar. deneyim: nesneler düşer; ağır nesnelerin sanki yere mıhlıymış gibi davranır ve hayvanlar belli bir yüksekliğe zıplayabilir.
Kütleçekim, matematiksel olarak tanımlanan ilk etkileşimdi. Antik çağda Aristoteles, farklı kütlelerdeki nesnelerin farklı oranlarda düştüğünü varsayıyordu. Bilimsel Devrim sırasında, Galileo Galilei deneysel olarak bu hipotezin belirli koşullar altında yanlış olduğunu belirledi - bir atmosfer varsa hava direnci ve kaldırma kuvvetleri nedeniyle oluşan sürtünmeyi ihmal etti (örneğin, havayla doldurulmuş bir balonun düşürülmesi ve su dolu bir balonun durumu)), tüm nesneler aynı oranda Dünya'ya doğru hızlanır. Isaac Newton'un Evrensel Çekim yasası (1687), Kütleçekimi davranışının iyi bir tahminiydi. Bugünkü kütleçekim anlayışımız, Einstein'ın 1915 tarihli Genel Görelilik kuramından kaynaklanmaktadır; bu, Kütleçekiminin uzay-zaman geometrisi açısından daha doğru bir tanımı (özellikle kozmolojik kütleler ve mesafeler için).
Genel görelilik ve kuantum mekaniğini (veya kuantum alan kuramını) daha genel bir kuantum kütleçekimi kuramıyla birleştirmek, aktif bir araştırma alanıdır. Kütleçekiminin graviton adı verilen kütlesiz bir spin-2 parçacığının aracılık ettiği varsayılmaktadır.
Genel görelilik deneysel olarak (en azından zayıf alanlar için, yani kara delikler için değil) en küçük ölçekler dışında tümünde doğrulanmış olsa da, genel göreliliğe alternatifler vardır. Bu kuramlar, belirli bir sınırda genel göreliliğe indirgenmelidir ve gözlemsel çalışmanın odak noktası, genel görelilikten hangi sapmaların mümkün olduğuna dair sınırlar oluşturmaktır.
Önerilen ekstra boyutlar, kütleçekimi kuvvetinin neden bu kadar zayıf olduğunu açıklayabilir.
Elektrozayıf Etkileşim
Ana Madde: Elektrozayıf Etkileşim
Elektromanyetizma ve zayıf etkileşim, günlük düşük enerjilerde çok farklı görünmektedir. İki farklı kuramkullanılarak modellenebilirler. Bununla birlikte, 100 GeV mertebesinde, birleşme enerjisinin üzerinde, tek bir elektrozayıf kuvvette birleşeceklerdir. Elektrozayıf kuram, modern kozmoloji için, özellikle de evrenin nasıl evrimleştiği konusunda çok önemlidir. Bunun nedeni, Büyük Patlama'dan kısa bir süre sonra, sıcaklık hala yaklaşık 1015 Kelvinin üzerindeyken, elektromanyetik kuvvet ve zayıf kuvvet hala birleşik bir elektrozayıf kuvvet olarak birleşiyordu. Temel parçacıklar arasındaki zayıf ve elektromanyetik etkileşimin birleştirilmesine katkılarından dolayı Abdus Salam, Sheldon Glashow ve Steven Weinberg, 1979'da Nobel Fizik Ödülü'ne layık görüldü.
Elektromanyetik Etkileşim
Ana Madde: Elektromanyetik etkileşim
Elektromanyetizma, elektrik yüklü parçacıklar arasında etki eden kuvvettir. Bu fenomen, durgun haldeki yüklü parçacıklar arasında etki eden elektrostatik kuvveti ve birbirine göre hareket eden yüklü parçacıklar arasında etki eden elektrik ve manyetik kuvvetlerin birleşik etkisini içerir.
Elektromanyetizma, kütleçekimi gibi sonsuz bir menzile sahiptir, ancak ondan çok daha güçlüdür ve bu nedenle sürtünme, gökkuşakları, şimşek ve televizyon, lazerler ve bilgisayarlar gibi elektrik akımı kullanan tüm insan yapımı cihazlar gibi günlük deneyimin birkaç makroskobik fenomenini tanımlar. . Elektromanyetizma, tüm kimyasal bağlar da dahil olmak üzere kimyasal elementlerin tüm makroskobik ve birçok atomik düzeydeki özelliklerini temel olarak belirler.
Bu kuvvet, Dünya gezegeninin ağırlığından birçok kez daha büyüktür. Bir sürahideki atom çekirdekleri, diğerindekileri de aynı kuvvetle iter. Bununla birlikte, bu itici kuvvetler, sürahi A'daki elektronların sürahi B'deki çekirdeklerle ve sürahi A'daki çekirdeklerin sürahi B'deki elektronlarla çekimi ile iptal edilir ve net kuvvet oluşmaz. Elektromanyetik kuvvetler kütleçekiminden çok daha güçlüdür, ancak büyük cisimler için kütleçekimi baskın olacak şekilde birbirini götürür. Elektrik ve manyetik fenomenler eski zamanlardan beri gözlemlenmiştir, ancak 19. yüzyılda James Clerk Maxwell, elektrik ve manyetizmanın aynı temel etkileşimin iki yönü olduğunu keşfetti. 1864'te Maxwell'in denklemleri bu birleşik etkileşimi titizlikle ölçmüştü. Maxwell'in vektör hesabı kullanılarak yeniden ifade edilen kuramı, çoğu teknolojik amaç için uygun olan klasik elektromanyetizma kuramıdır.
Işığın vakumdaki sabit hızı (genelde küçük harf "c" ile tanımlanır) Maxwell'in özel görelilik kuramıyla tutarlı denklemlerinden türetilebilir. Bununla birlikte, gözlemci ne kadar hızlı hareket ederse etsin ışık hızının sabit olduğu gözleminden yola çıkan Albert Einstein'ın özel görelilik kuramı, Maxwell denklemlerinin ima ettiği kuramsal sonucun, zaman ve uzayın doğası üzerinde elektromanyetizmanın çok ötesinde derin etkileri olduğunu gösterdi.
Zayıf Etkileşim
Zayıf etkileşim veya zayıf nükleer kuvvet, beta bozunması gibi bazı nükleer olaylardan sorumludur. Elektromanyetizma ve zayıf kuvvet, artık birleşik bir elektrozayıf etkileşimin iki yönü olarak anlaşılmaktadır - bu keşif, Standart Model olarak bilinen birleşik kurama doğru ilk adımdı. Elektrozayıf etkileşim kuramında, zayıf kuvvetin taşıyıcıları, W ve Z bozonları adı verilen büyük ayar bozonlarıdır. Zayıf etkileşim, pariteyi korumayan bilinen tek etkileşimdir; sol-sağ asimetriktir. Zayıf etkileşim, CP simetrisini bile ihlal eder, ancak CPT'yi korur.
Güçlü Etkileşim
Ana madde: Güçlü etkileşim
Güçlü etkileşim veya güçlü nükleer kuvvet, esas olarak mesafeye göre değişme şekli nedeniyle en karmaşık etkileşimdir. Nükleer kuvvet, yaklaşık 1 femtometre (fm veya 10−15 metre) mesafelerde nükleonlar arasında güçlü bir şekilde çekicidir, ancak yaklaşık 2.5 fm'nin ötesindeki mesafelerde hızla önemsiz hale gelir. 0,7 fm'den daha az mesafelerde nükleer kuvvet itici hale gelir. Bu itici bileşen, çekirdeklerin fiziksel boyutundan sorumludur, çünkü nükleonlar kuvvetin izin verdiğinden daha yakına gelemezler.
1908'de çekirdek keşfedildikten sonra, pozitif yüklü protonların elektromanyetizmanın bir tezahürü olan elektrostatik itmenin üstesinden gelmek için bugün nükleer kuvvet olarak bilinen yeni bir kuvvete ihtiyaç duyulduğu açıktı. Aksi takdirde, çekirdek var olamazdı. Ayrıca, kuvvetin, protonları çapı yaklaşık 1015 m olan ve tüm atomunkinden çok daha küçük olan bir hacme sıkıştıracak kadar güçlü olması gerekiyordu. Bu kuvvetin kısa menzilinden Hideki Yukawa, kütlesi yaklaşık 100 MeV olan büyük bir kuvvet parçacığı ile ilişkili olduğunu tahmin etti.
Çekirdek 1908 yılında keşfedildi sonra, yeni bir güç pozitif yüklü protonlar elektrostatik itme, elektromanyetizma bir tezahürü, üstesinden gelmek için gerekli olduğunu açıktı. Ayrıca, kuvvetin, protonları çapı yaklaşık 10−15m olan ve tüm atomunkinden çok daha küçük olan bir hacme sıkıştıracak kadar güçlü olması gerekiyordu. Bu kuvvetin kısa mesafeden, Hideki Yukava kimin kitle yaklaşık 100 MeV olan büyük bir parçacık ile ilişkili olduğunu öngördü.
1947'de Pion'un keşfi, modern parçacık fiziği çağını başlattı. 1940'lardan 1960'lara kadar yüzlerce hadron keşfedildi ve kuvvetle etkileşen parçacıklar olarak son derece karmaşık bir hadron kuramı geliştirildi. En önemlisi:
Parçacık fiziğinin modern çağın başlattı pion 1947 keşif. Hadronların Yüzlerce 1960 1940'lardan keşfedildi ve hadronların son derece karmaşık bir kuram olarak güçlü etkileşim parçacıkların geliştirilmiştir. Özellikle:
Pionların, vakum kapanlarının salınımları olduğu anlaşıldı
Jun John Sakurai, rho ve omega vektör bozonlarının yaklaşık izospin ve hiper yük simetrileri için kuvvet taşıyan parçacıklar olmasını önerdi
Geoffrey Chew, Edward K. Burdett ve Steven Frautschi, daha ağır hadronları, sicimlerin titreşimsel ve dönül uyarılmaları olarak anlaşılabilecek ailelere ayırdılar
Bu sezgisel yaklaşımların, hiçbiri doğrudan temel bir kurama yol açmadı.
Murray Gell-Mann, George Zweig ile birlikte ilk olarak 1961'de kesirli olarak yüklü kuarklar önerdi. 1960'lar boyunca, farklı yazarlar, modern temel kuantum renk dinamiği kuramına benzer kuramları, kuarkların etkileşimleri için basit modeller olarak gördüler. Kuantum renk dinamiğinin gluonlarını ilk hipotezleyenler, kuark renk yükünü ortaya çıkaran Moo-Young Han ve Yoichiro Nambu idi. Han ve Nambu, bunun kuvvet taşıyan bir alanla ilişkili olabileceğini varsaydılar. Ancak o zaman, böyle bir modelin kuarkları kalıcı olarak nasıl sınırlayabildiğini görmek zordu. Han ve Nambu ayrıca her kuark rengine bir tam sayı elektrik yükü atadı, böylece kuarklar yalnızca ortalama olarak kesirli yüklendi ve modellerindeki kuarkların kalıcı olarak sınırlandırılmasını beklemiyorlardı.
1971'de Murray Gell-Mann ve Harald Fritzsch, Han/Nambu renk ayar alanının kesirli yüklü kuarkların kısa mesafeli etkileşimlerinin doğru kuramı olduğunu öne sürdüler. Kısa bir süre sonra, David Gross, Frank Wilczek ve David Politzer, bu kuramın asimptotik özgürlük özelliğine sahip olduğunu ve deneysel kanıtlarla bağlantı kurmalarına izin verdiğini keşfettiler. Kuantum renk dinamiğinin, tüm mesafe ölçeklerinde doğru olan güçlü etkileşimlerin eksiksiz bir kuramı olduğu sonucuna vardılar. Asimptotik özgürlüğün keşfi, çoğu fizikçiyi kuantum renk dinamiklerini kabul etmeye yöneltti, çünkü kuarklar kalıcı olarak sınırlandırılmışsa, güçlü etkileşimlerin uzun mesafeli özelliklerinin bile deneyle tutarlı olabileceği netleşti: güçlü kuvvet mesafe ile süresiz olarak artar ve kuarkları hadronların içinde hapseder.
Kuarkların sınırlı olduğu varsayılırsa, Mikhail Shifman, Arkady Vainshtein ve Valentine Zakharov, vakumu tanımlamak için sadece birkaç ekstra parametreyle, birçok düşük seviyeli hadronların özelliklerini doğrudan kuantum renk dinamiklerinden hesaplayabildiler.
1980'de Kenneth G. Wilson, kuantum renk dinamiğinin kuarkları sınırlayacağını kesinliğe eşdeğer bir güven düzeyine koyarak, kuantum renk dinamiğinin ilk ilkelerine dayanan bilgisayar hesaplamalarını yayınladı. O zamandan beri, kuantum renk dinamiği, güçlü etkileşimlerin yerleşik kuramı olmuştur.
Kuantum renk dinamiği, gluon adı verilen 8 bozonik parçacık aracılığıyla etkileşen kesirli yüklü kuarkların bir kuramıdır. Gluonlar, sadece kuarklarla değil, birbirleriyle de etkileşirler ve uzun mesafelerde kuvvet çizgileri, lineer bir potansiyel, sabit bir çekici kuvvet tarafından gevşek bir şekilde modellenen sicimler halinde toplanır. Bu şekilde, kuantum renk dinamiğinin matematiksel kuramı, kuarkların yalnızca kısa mesafelerde nasıl etkileştiğini değil, aynı zamanda Chew ve Frautschi tarafından keşfedilen ve daha uzun mesafelerde gösterdikleri sicim benzeri davranışı da açıklar.
Standart Model Ötesi Fizik
Ana madde: Standart Model ötesi fizik
Elektrozayıf birleştirme modelinde mevcut dört temel etkileşimi sistemleştirmek için çok sayıda kuramsal çaba sarf edilmiştir. Büyük Birleşik Kuramlar, Standart Model tarafından tanımlanan üç temel etkileşimin hepsinin, son derece yüksek bir enerji seviyesinin altında parçalanan ve ayrı etkileşimler yaratan simetrilerle tek bir etkileşimin farklı tezahürleri olduğunu gösteren önerilerdir. Büyük Birleşik Kuramların ayrıca, Standart Modelin ilgisiz olarak ele aldığı doğa sabitleri arasındaki bazı ilişkileri öngörmesi ve ayrıca elektromanyetik, zayıf ve güçlü kuvvetlerin göreli güçleri için ayar birleştirme birleşmesini öngörmesi beklenir (bu, örneğin, 1991'de Büyük Elektron-Pozitron Çarpıştırıcısında süpersimetrik kuramlar için doğrulandı)
Büyük birleşik kuramı bir kuantum kütleçekimi kuramıyla bütünleştiren Her şeyin kuramı daha büyük bir engelle karşı karşıyadır, çünkü sicim kuramı, döngü kuantum kütleçekimi ve büküm kuramını içeren hiçbir kuantum kütleçekimi kuramı geniş çapta kabul görmemiştir. Bazı kuramlar, kuvvet taşıyan parçacıkların Standart Model listesini tamamlamak için bir graviton ararken, diğerleri, döngü kuantum kütleçekimi gibi, zaman-uzayın kendisinin kuantum bir yönü olabileceği olasılığını vurgular. Standart Modelin ötesindeki bazı kuramlar, varsayımsal bir beşinci kuvvet içerir ve böyle bir kuvvet arayışı, devam eden bir deneysel fizik araştırmasıdır. Süpersimetrik kuramlarda, bazı parçacıklar kütlelerini ancak süpersimetri kırılma etkileri ile kazanırlar ve modül olarak bilinen bu parçacıklar yeni kuvvetlere aracılık edebilir. Yeni kuvvetler aramanın bir başka nedeni de, evrenin genişlemesinin hızlandığının (karanlık enerji olarak da bilinir), sıfırdan farklı bir kozmolojik sabiti açıklama ihtiyacına ve muhtemelen genel göreliliğin diğer değişikliklerine yol açtığının keşfedilmesidir. CP ihlalleri, karanlık madde ve karanlık akış gibi fenomenleri açıklamak için beşinci kuvvetler de önerilmiştir.