मूलभूत अन्योन्य क्रिया

भौतिकी में, मौलिक अंतःक्रियाएं, जिन्हें मौलिक बलों के रूप में भी जाना जाता है, वे अंतःक्रियाएं हैं जो अधिक बुनियादी अंतःक्रियाओं के लिए कम करने योग्य प्रतीत नहीं होती हैं। ज्ञात चार मूलभूत अंतःक्रियाएं मौजूद हैं: गुरुत्वाकर्षण और विद्युतचुंबकीय अंतःक्रियाएं, जो महत्वपूर्ण लंबी दूरी (अनंत सीमा) बलों का उत्पादन करती हैं जिनके प्रभाव सीधे रोजमर्रा की जिंदगी में देखे जा सकते हैं, और मजबूत और कमजोर पारस्परिक प्रभाव, जो बल उत्पन्न करती हैं सूक्ष्म, उप-परमाणु दूरियां और परमाणु अंतःक्रियाओं को नियंत्रित करते हैं। कुछ वैज्ञानिक अनुमान लगाते हैं कि पाँचवीं शक्ति मौजूद हो सकती है, लेकिन ये परिकल्पनाएँ सट्टा बनी हुई हैं।

ज्ञात मौलिक अंतःक्रियाओं में से प्रत्येक को गणितीय रूप से एक क्षेत्र के रूप में वर्णित किया जा सकता है। गुरुत्वाकर्षण बल को स्पेसटाइम की वक्रता के लिए जिम्मेदार ठहराया जाता है, जिसे आइंस्टीन के सापेक्षता के सामान्य सिद्धांत द्वारा वर्णित किया गया है।। अन्य तीन असतत क्वांटम क्षेत्र हैं, और कण भौतिकी के मानक मॉडल द्वारा वर्णित प्राथमिक कणों द्वारा उनकी पारस्परिक प्रभाव की मध्यस्थता की जाती है।

मानक मॉडल के भीतर, मजबूत अंतःक्रिया ग्लूऑन नामक एक कण द्वारा की जाती है और क्वार्कों को एक साथ जोड़कर हैड्रॉन बनाने के लिए जिम्मेदार है, जैसे किप्रोटॉन और न्यूट्रॉन। अवशिष्ट प्रभाव के रूप में, यह परमाणु बल बनाता है जो बाद के कणों को परमाणु नाभिक बनाने के लिए बांधता है। कमजोर अंतःक्रिया को डब्ल्यू और जेड बोसॉन नामक कणों द्वारा किया जाता है, और यह परमाणुओं के नाभिक पर भी कार्य करता है,रेडियोधर्मी क्षय की मध्यस्थता करता है। फोटॉन द्वारा किया गया विद्युत चुम्बकीय बल, विद्युत और चुंबकीय क्षेत्र बनाता है, जो कक्षीय इलेक्ट्रॉनों और परमाणु नाभिक के बीच आकर्षण के लिए जिम्मेदार होते हैं, जो परमाणुओं को एक साथ रखते हैं, साथ ही रासायनिक बंधन और विद्युत चुम्बकीय तरंगें, दृश्य प्रकाश सहित, और विद्युत प्रौद्योगिकी के लिए आधार बनाते हैं। यद्यपि विद्युत चुम्बकीय बल गुरुत्वाकर्षण से कहीं अधिक मजबूत है, यह बड़ी वस्तुओं के भीतर खुद को रद्द कर देता है, इसलिए बड़ी (खगोलीय) दूरी पर गुरुत्वाकर्षण प्रमुख बल होता है, और ब्रह्मांड में बड़े पैमाने पर जैसे ग्रहों, सितारों और आकाशगंगाओं के रूप में संरचनाओं को एक साथ रखने के लिए जिम्मेदार होता है।

कई सैद्धांतिक भौतिकविदों का मानना है कि इन मौलिक बलों का संबंध है और एक छोटे से पैमाने पर बहुत अधिक ऊर्जा पर एक ही बल में एकीकृत होने के लिए, प्लैंक स्केल, लेकिन कण त्वरक प्रयोगात्मक रूप से इसकी जांच करने के लिए आवश्यक विशाल ऊर्जा का उत्पादन नहीं कर सकते हैं। एक सामान्य सैद्धांतिक ढांचा तैयार करना जो एक सिद्धांत में बलों के बीच संबंध की व्याख्या करेगा, शायद आज के सैद्धांतिक भौतिकविदों का सबसे बड़ा लक्ष्य है। शेल्डन ग्लासो, अब्दुस सलाम और स्टीवन वेनबर्ग के इलेक्ट्रोवेक सिद्धांत के साथ कमजोर और विद्युत चुम्बकीय बलों को पहले ही एकीकृत कर दिया गया है, जिसके लिए उन्हें भौतिकी में 1979 का नोबेल पुरस्कार मिला है। कुछ भौतिक विज्ञानी एक ग्रैंड यूनिफाइड थ्योरी (जीयूटी) कहे जाने वाले विद्युत् दुर्बल और मजबूत क्षेत्रों को एकजुट करना चाहते हैं। एक और भी बड़ी चुनौती गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र को मापने का एक तरीका खोजना है, जिसके परिणामस्वरूप क्वांटम गुरुत्वाकर्षण (क्यूजी) का सिद्धांत उत्पन्न होता है जो अन्य तीन बलों के साथ एक सामान्य सैद्धांतिक ढांचे में गुरुत्वाकर्षण को एकजुट करता है। कुछ सिद्धांत, विशेष रूप से स्ट्रिंग सिद्धांत, एक ढांचे के भीतर क्यूजी और जीयूटी दोनों की तलाश करते हैं, सभी चार मौलिक पारस्परिक प्रभाव को सब कुछ के सिद्धांत (टीओई) के भीतर बड़े पैमाने पर पीढ़ी के साथ एकीकृत करते हैं।

इतिहास

शास्त्रीय सिद्धांत

अपने 1687 के सिद्धांत में, आइजैक न्यूटन ने अंतरिक्ष को एक अनंत और अपरिवर्तनीय भौतिक संरचना के रूप में माना, सभी वस्तुओं के चारों ओर जबकि उनकी अवस्थाएँ और संबंध हर जगह निरंतर गति से प्रकट होते हैं, इस प्रकार निरपेक्ष स्थान और समय से प्रकट होते हैं।यह उल्लेख करते हुए कि द्रव्यमान वाली सभी वस्तुएं एक स्थिर दर पर पहुंचती हैं, लेकिन उनके द्रव्यमान के समानुपाती प्रभाव से टकराती हैं, न्यूटन ने अनुमान लगाया कि पदार्थ एक आकर्षक बल प्रदर्शित करता है। उनके सार्वभौमिक गुरुत्वाकर्षण के नियम में सभी वस्तुओं के बीच तत्काल संपर्क होने की बात निहित थी। जैसा कि पारंपरिक रूप से व्याख्या की गई है, न्यूटन के गति के सिद्धांत ने संचार माध्यम के बिना एक केंद्रीय बल का मॉडल तैयार किया है। इस प्रकार न्यूटन के सिद्धांत ने डेसकार्टेस में वापस जाकर परंपरा का उल्लंघन किया, कि दूरी पर कोई कार्रवाई नहीं होनी चाहिए। इसके विपरीत, 1820 के दशक के दौरान, चुंबकत्व की व्याख्या करते हुए, माइकल फैराडे ने एक क्षेत्र को भरने वाले स्थान और उस बल को संचारित करने का अनुमान लगाया है। फैराडे ने अनुमान लगाया कि अंततः, सभी बल एक में एकीकृत हो गए है।

1873 में, जेम्स क्लर्क मैक्सवेल ने विद्युत और चुंबकत्व को एक विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र के प्रभाव के रूप में एकीकृत किया, जिसका तीसरा परिणाम प्रकाश, एक निर्वात में निरंतर गति से यात्रा करना था। यदि उनका विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र सिद्धांत संदर्भ के सभी जड़त्वीय फ्रेमों था, तो यह न्यूटन के गति के सिद्धांत का खंडन करेगा, जो गैलीलियन सापेक्षता पर निर्भर था। यदि, इसके बजाय, उनका क्षेत्र सिद्धांत केवल एक यांत्रिक चमकदार ईथर के सापेक्ष संदर्भ फ्रेम पर लागू होता है - सभी स्थान को भरने के लिए माना जाता है चाहे पदार्थ के भीतर या वैक्यूम में और विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र को प्रकट करने के लिए- तो इसे गैलीलियन सापेक्षता और न्यूटन कानून के साथ मेल किया जा सकता है। (हालांकि, इस तरह के "मैक्सवेल एथर" को बाद में अप्रमाणित किया गया था, न्यूटन के नियमों को, वास्तव में, प्रतिस्थापित किया जाना था।)

मानक मॉडल

Main article: Standard Model

See also: Standard Model (mathematical formulation)

The Standard Model of elementary particles, with the fermions in the first three columns, the gauge bosons in the fourth column, and the Higgs boson in the fifth column

कण भौतिकी का मानक मॉडल 20वीं शताब्दी के उत्तरार्ध में विकसित किया गया था। मानक मॉडल में, प्राथमिक कणों के साथ विद्युत चुम्बकीय, मजबूत और कमजोर पारस्परिक प्रभाव संबद्ध होते हैं, जिनके व्यवहार क्वांटम यांत्रिकी (QM) में प्रतिरूपण किए जाते हैं। क्यूएम के संभाव्य परिणामों के साथ भविष्य कहनेवाला सफलता के लिए, कण भौतिकी पारंपरिक रूप से विशेष सापेक्षता के लिए निर्धारित क्षेत्र में QM घटनाओं को मॉडल करती है, पूरी तरह से सापेक्षतावादी क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत (क्यूएफटी) हैं। बल कण, जिसे गेज बोसॉन कहा जाता है - बल वाहक या अंतर्निहित क्षेत्रों के संदेशवाहक कण - पदार्थ कणों के साथ परस्पर क्रिया करते हैं, जिन्हें फ़र्मियन कहा जाता है। हर दिन का पदार्थ परमाणु होता है, जो तीन फ़र्मियन प्रकारों से बना होता है: अप-क्वार्क और डाउन-क्वार्क, साथ ही इलेक्ट्रॉनों की परिक्रमा, परमाणु का नाभिक। परमाणु परस्पर क्रिया करते हैं, अणु बनाते हैं, और अपने इलेक्ट्रॉनों के बीच विद्युत चुम्बकीय अंतःक्रियाओं के माध्यम से आगे के गुणों को प्रकट करते हैं, जो फोटॉनों को अवशोषित और उत्सर्जित करते हैं, विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र का बल वाहक, जो कि अगर बिना रुके संभावित अनंत दूरी को पार करता है। विद्युत् चुंबकत्व का QFT क्वाण्टम विद्युत्गतिकी (QED) है।

कमजोर अंतःक्रिया के बल वाहक बड़े पैमाने पर डब्ल्यू और जेड बोसॉन हैं । विद्युत् दुर्बल सिद्धांत (ईडब्ल्यूटी) विद्युत चुंबकत्व और कमजोर पारस्परिक प्रभाव दोनों को कवर करता है। बिग बैंग के तुरंत बाद उच्च तापमान पर, कमजोर अंतःक्रिया, विद्युत चुम्बकीय संपर्क, और हिग्स बोसोन मूल रूप से प्राचीन पूर्व-समरूपता-तोड़ने वाले क्षेत्रों के एक अलग सेट के मिश्रित घटक थे। जैसे ही प्रारंभिक ब्रह्मांड ठंडा हुआ, ये क्षेत्र लंबी दूरी की विद्युत चुम्बकीय पारस्परिक प्रभाव , छोटी दूरी की कमजोर पारस्परिक प्रभाव और हिग्स बोसॉन में विभाजित हो गए थे। हिग्स तंत्र में, हिग्स क्षेत्र हिग्स बोसॉन को प्रकट करता है जो कुछ क्वांटम कणों के साथ इस तरह से पारस्परिक प्रभाव करता है जो उन कणों को द्रव्यमान से संपन्न करता है। मजबूत अंतःक्रिया, जिसका बल वाहक ग्लूऑन है, क्वार्कों के बीच छोटी दूरी को पार करता है, क्वांटम क्रोमोडायनामिक्स (क्यूसीडी) में प्रतिरूपण की जाती है। EWT, QCD, और हिग्स तंत्र में कण भौतिकी के मानक मॉडल (SM) शामिल हैं। आमतौर पर गणनात्मक सन्निकटन विधियों का उपयोग करके भविष्यवाणियां की जाती हैं, हालांकि इस तरह के गड़बड़ी सिद्धांत कुछ प्रयोगात्मक अवलोकनों (उदाहरण के लिए बाध्य राज्यों और सॉलिटॉन ) को मॉडल करने के लिए अपर्याप्त हैं। फिर भी, भौतिक विज्ञानी व्यापक रूप से मानक मॉडल को विज्ञान के सबसे प्रयोगात्मक रूप से पुष्टि किए गए सिद्धांत के रूप में स्वीकार करते हैं।

मानक मॉडल से परे, कुछ सिद्धांतवादी एक ग्रैंड यूनिफाइड थ्योरी (जीयूटी) के भीतर इलेक्ट्रोवेक और मजबूत अंतःक्रियाओं को एकजुट करने के लिए काम करते हैं। GUTs के कुछ प्रयास "छाया" कणों की परिकल्पना करते हैं, जैसे कि प्रत्येक ज्ञात पदार्थ कण एक अनदेखे बल कण के साथ जुड़ता है, और इसके विपरीत, पूरी तरह से सुपरसिमेट्री (SUSY) है। अन्य सिद्धांतवादी अपने काल्पनिक बल वाहक, गुरुत्वाकर्षण के प्रतिरूपण व्यवहार द्वारा गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र को मापना चाहते हैं और क्वांटम गुरुत्वाकर्षण (क्यूजी) प्राप्त करते हैं। क्यूजी के लिए एक दृष्टिकोण लूप क्वांटम गुरुत्व (एलक्यूजी) है। फिर भी अन्य सिद्धांतवादी क्यूजी और जीयूटी दोनों को एक ढांचे के भीतर चाहते हैं, सभी चार मूलभूत अंतःक्रियाओं को एक थ्योरी ऑफ एवरीथिंग (टीओई) में कम कर देते हैं। टीओईमें सबसे प्रचलित उद्देश्य स्ट्रिंग सिद्धांत है, हालांकि पदार्थ कणों को मॉडल करने के लिए, इसने कणों को बल देने के लिए SUSY को जोड़ा- और इसलिए, कड़ाई से बोलते हुए, सुपरस्ट्रिंग सिद्धांत बन गया है। एकाधिक, प्रतीत होता है कि असमान सुपरस्ट्रिंग सिद्धांत एक रीढ़ की हड्डी, एम-सिद्धांत पर एकीकृत थे। मानक मॉडल से परे सिद्धांत अत्यधिक सट्टा बने हुए हैं, जिनमें महान प्रयोगात्मक समर्थन की कमी है।

मौलिक पारस्परिक प्रभाव का अवलोकन

An overview of the various families of elementary and composite particles, and the theories describing their interactions. Fermions are on the left, and Bosons are on the right.

मौलिक अंतःक्रियाओं के वैचारिक मॉडल में, पदार्थ में फ़र्मियन होते हैं, जो चार्ज और स्पिन ±1⁄2 नामक गुणों को ले जाते हैं (आंतरिक कोणीय गति ±ħ⁄2 घटा हुआ प्लैंक स्थिरांक है )। ये बोसोन का आदान-प्रदान करके एक दूसरे को आकर्षित या प्रतिकर्षित करते हैं।

गड़बड़ी सिद्धांत में किसी भी जोड़ी के फ़र्मियन की पारस्परिक प्रभाव को इस प्रकार मॉडल किया जा सकता है:

दो फ़र्मियन अंदर जाते हैं → बोसॉन विनिमय द्वारापारस्परिक प्रभाव → दो बदले हुए फ़र्मियन बाहर जाते हैं।

बोसोन के आदान-प्रदान में हमेशा फ़र्मियन के बीच ऊर्जा और संवेग होता है, जिससे उनकी गति और दिशा बदल जाती है। विनिमय फ़र्मियन के बीच चार्ज को अभिगमन कर सकता है, प्रक्रिया में फ़र्मियन के चार्ज को बदल सकता है (उदाहरण के लिए, उन्हें एक प्रकार के फ़र्मियन से दूसरे में बदल दें)। चूँकि बोसॉन में कोणीय संवेग की एक इकाई होती है, इसलिए ऐसे विनिमय के दौरान ( घटित प्लैंक स्थिरांक की इकाइयों में) फर्मियन की स्पिन दिशा +1⁄2 −1⁄2 से पलट जाएगी(या इसके विपरीत)। चूंकि इस तरह की पारस्परिक प्रभाव के परिणामस्वरूप गति में परिवर्तन होता है, वे शास्त्रीय न्यूटनियन बलों को जन्म दे सकते हैं। क्वांटम यांत्रिकी में, भौतिक विज्ञानी अक्सर "बल" और "पारस्परिक प्रभाव" शब्दों का परस्पर उपयोग करते हैं, उदाहरण के लिए, कमजोर अंतःक्रिया को कभी-कभी "कमजोर बल" कहा जाता है।

वर्तमान समझ के अनुसार, चार मौलिक अंतःक्रियाएं या बल हैं: गुरुत्वाकर्षण, विद्युत चुंबकत्व, कमजोर अंतःक्रिया और मजबूत अंतःक्रिया। उनका परिमाण और व्यवहार बहुत भिन्न होता है, जैसा कि नीचे दी गई तालिका में वर्णित है। आधुनिक भौतिकी इन मूलभूत अंतःक्रियाओं द्वारा प्रत्येक देखी गई भौतिक घटना की व्याख्या करने का प्रयास करती है। इसके अलावा, विभिन्न पारस्परिक प्रभाव प्रकारों की संख्या को कम करना वांछनीय माना जाता है। बिंदु में दो मामलों का एकीकरण है:

• विद्युत चुंबकत्व में विद्युत और चुंबकीय बल,
• विद्युतचुंबकीय अंतःक्रिया और कमजोर अंतःक्रिया में विद्युतचुंबकीय अंतःक्रिया, नीचे देखें।

दोनों परिमाण ("सापेक्ष शक्ति") और संबंधित क्षमता की "सीमा", जैसा कि तालिका में दिया गया है, केवल एक जटिल सैद्धांतिक ढांचे के भीतर ही सार्थक हैं। नीचे दी गई तालिका एक वैचारिक योजना के गुणों को सूचीबद्ध करती है जो चल रहे शोध का विषय बनी हुई है।

पारस्परिक प्रभाव	वर्तमान सिद्धांत	मध्यस्थ	सापेक्ष शक्ति	लंबी दूरी की व्यवहार	क्षेत्र (m)
कमजोर	विद्युत् दुर्बल सिद्धांत (EWT)	Wऔर Z बोसॉन	1025	${\frac {1}{r}}\ e^{-m_{\rm {W,Z}}\ r}$	10−18
मजबूत	क्वांटम क्रोमोडायनामिक्स (QCD)	ग्लून्स	1038	${\sim r}$ (रंग सीमाबद्ध, नीचे चर्चा देखें)	10−15
विद्युत् चुंबकीय	क्वांटम  विद्युत् गतिकी (QED)	फोटोन	1036	${\frac {1}{r}}$	∞
गुरुत्वाकर्षण	सामान्य सापेक्षता (GR)	गुरुत्वाकर्षण (काल्पनिक)	1	${\frac {1}{r}}$	∞

गुरुत्वाकर्षण के अलावा अन्य मौलिक बलों का आधुनिक (परेशान) क्वांटम यांत्रिक दृष्टिकोण यह है कि पदार्थ के कण ( फर्मियन ) सीधे एक दूसरे के साथ पारस्परिक प्रभाव नहीं करते हैं, बल्कि एक चार्ज लेते हैं, और आभासी कणों ( गेज बोसॉन ) का आदान-प्रदान करते हैं, जो अंतःक्रिया वाहक या बल मध्यस्थ हैं। उदाहरण के लिए, फोटॉन विद्युत आवेशों की परस्पर क्रिया में मध्यस्थता करते हैं, और ग्लून्स रंग आवेशों की परस्पर क्रिया में मध्यस्थता करते हैं। पूर्ण सिद्धांत में बोसॉन का आदान-प्रदान करने वाले केवल फ़र्मियन से परे गड़बड़ी शामिल है, इन अतिरिक्त गड़बड़ियों में बोसोन शामिल हो सकते हैं जो फ़र्मियन का आदान-प्रदान करते हैं, साथ ही कणों का निर्माण या विनाश भी करते हैं: उदाहरण के लिए फेनमैन आरेख देखें।

पारस्परिक प्रभाव

गुरुत्वाकर्षण

परमाणु पैमाने पर चार अंतःक्रियाओं में से गुरुत्वाकर्षण अब तक सबसे कमजोर है, जहां विद्युत चुम्बकीय बातचीत हावी है। लेकिन यह विचार कि एक साधारण चुंबक(जैसे रेफ्रिजरेटर चुंबक) का उपयोग करके पिन को निलंबित करके गुरुत्वाकर्षण की कमजोरी को आसानी से प्रदर्शित किया जा सकता है, मौलिक रूप से त्रुटिपूर्ण है। संपूर्ण पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण खिंचाव के खिलाफ चुंबक पिन को पकड़ने में सक्षम होने का एकमात्र कारण इसकी सापेक्ष निकटता है। स्पष्ट रूप से चुंबक और पिन के बीच अलगाव की एक छोटी दूरी होती है जहां एक ब्रेकिंग पॉइंट होता है, और पृथ्वी के बड़े द्रव्यमान के कारण यह दूरी काफी कम होती है।

दो कारणों से खगोलीय दूरी पर खगोलीय पिंडों के लिए चार मूलभूत बलों में गुरुत्वाकर्षण सबसे महत्वपूर्ण है। सबसे पहले, गुरुत्वाकर्षण की एक अनंत प्रभावी सीमा होती है, जैसे विद्युत चुंबकत्व लेकिन मजबूत और कमजोर पारस्परिक प्रभाव के विपरीत। दूसरा, गुरुत्वाकर्षण हमेशा आकर्षित करता है और कभी पीछे नहीं हटता, इसके विपरीत, खगोलीय पिंड एक निकट-तटस्थ शुद्ध विद्युत आवेश की ओर प्रवृत्त होते हैं, जैसे कि एक प्रकार के आवेश के प्रति आकर्षण और विपरीत आवेश से प्रतिकर्षण ज्यादातर एक दूसरे को रद्द कर देता है।

भले ही विद्युत चुंबकत्व गुरुत्वाकर्षण से कहीं अधिक मजबूत है, स्थिर वैद्युत विक्षेप आकर्षण बड़े खगोलीय पिंडों, जैसे कि ग्रहों, सितारों और आकाशगंगाओं के लिए प्रासंगिक नहीं है, केवल इसलिए कि ऐसे पिंडों में प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉनों की समान संख्या होती है और इसलिए उनका शुद्ध विद्युत आवेश शून्य होता है। गुरुत्वाकर्षण को कुछ भी "रद्द" नहीं करता है, क्योंकि यह केवल आकर्षक है, विद्युत बलों के विपरीत जो आकर्षक या प्रतिकारक हो सकता है। दूसरी ओर, द्रव्यमान वाली सभी वस्तुएं गुरुत्वाकर्षण बल के अधीन होती हैं, जो केवल आकर्षित करती हैं। इसलिए, ब्रह्मांड की बड़े पैमाने की संरचना पर केवल गुरुत्वाकर्षण ही मायने रखता है।

गुरुत्वाकर्षण की लंबी रेंज आकाशगंगाओं और कृष्ण विवर की संरचना जैसी बड़े पैमाने की घटनाओं के लिए जिम्मेदार बनाती है और यह ब्रह्मांड के विस्तार को धीमा कर देती है। साथ ही दैनिक अनुभव: वस्तुएं गिरती हैं, भारी वस्तुएं ऐसा कार्य करती हैं मानो वे जमीन से चिपकी हुई हों, और जानवर केवल इतनी ऊंची छलांग लगा सकते हैं।

गुरुत्वाकर्षण पहली बातचीत थी जिसे गणितीय रूप से वर्णित किया गया था। प्राचीन काल में, अरस्तू ने परिकल्पना की थी कि विभिन्न द्रव्यमान की वस्तुएं अलग-अलग दरों पर गिरती हैं। वैज्ञानिक क्रांति के दौरान, गैलीलियो गैलीली ने प्रयोगात्मक रूप से निर्धारित किया कि कुछ परिस्थितियों में यह परिकल्पना गलत थी - वायु प्रतिरोध और उछाल बलों के कारण घर्षण की उपेक्षा करना यदि कोई वातावरण मौजूद है (उदाहरण के लिए गिराए गए हवा से भरे गुब्बारे बनाम पानी से भरे गुब्बारे का मामला) ), सभी वस्तुएँ गति करती हैं। आइजैक न्यूटन का सार्वभौमिक गुरुत्वाकर्षण का नियम (1687) गुरुत्वाकर्षण के व्यवहार का एक अच्छा अनुमान था।गुरुत्वाकर्षण की हमारी वर्तमान समझ आइंस्टीन के 1915 के सापेक्षता के सामान्य सिद्धांत से उपजी है, जो अंतरिक्ष-समय की ज्यामिति के संदर्भ में गुरुत्वाकर्षण का अधिक सटीक (विशेषकर ब्रह्मांड संबंधी द्रव्यमान और दूरियों के लिए) विवरण है।

सामान्य सापेक्षता और क्वांटम यांत्रिकी (या क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत ) को क्वांटम गुरुत्व के अधिक सामान्य सिद्धांत में मिलाना सक्रिय अनुसंधान का एक क्षेत्र है।यह अनुमान लगाया गया है कि गुरुत्वाकर्षण की मध्यस्थता एक द्रव्यमान रहित स्पिन -2 कण द्वारा की जाती है जिसे गुरुत्वाकर्षण कहा जाता है।

हालांकि सामान्य सापेक्षता की प्रयोगात्मक रूप से पुष्टि की गई है (कम से कम कमजोर क्षेत्रों के लिए, यानी ब्लैक होल नहीं) लेकिन सबसे छोटे पैमाने पर, सामान्य सापेक्षता के विकल्प हैं। इन सिद्धांतों को कुछ हद तक सामान्य सापेक्षता तक कम करना चाहिए, और अवलोकन कार्य का ध्यान सामान्य सापेक्षता से विचलन संभव होने पर सीमाएं स्थापित करना है।

प्रस्तावित अतिरिक्त आयाम बता सकते हैं कि गुरुत्वाकर्षण बल इतना कमजोर क्यों है।

विद्युत-चुम्बकीय-दुर्बल अन्योन्य क्रिया

विद्युत चुंबकत्व और कमजोर अंतःक्रिया रोजमर्रा की कम ऊर्जाओं में बहुत भिन्न प्रतीत होती है। उन्हें दो अलग-अलग सिद्धांतों का उपयोग करके प्रतिरूपण किया जा सकता है। हालांकि, एकीकरण ऊर्जा के ऊपर, 100 GeV के क्रम पर, वे एक एकल विद्युत शक्ति बल में विलीन हो जाते है।

आधुनिक ब्रह्मांड विज्ञान के लिए विद्युत् दुर्बल सिद्धांत बहुत महत्वपूर्ण है, खासकर ब्रह्मांड कैसे विकसित हुआ। ऐसा इसलिए है क्योंकि बिग बैंग के तुरंत बाद, जब तापमान अभी भी लगभग 10 ¹⁵K , से ऊपर था विद्युतचुंबकीय बल और कमजोर बल अभी भी एक संयुक्त विद्युत शक्ति बल के रूप में विलीन हो गए थे।

प्राथमिक कणों के बीच कमजोर और विद्युत चुम्बकीय संपर्क के एकीकरण में योगदान के लिए, अब्दुस सलाम, शेल्डन ग्लासो और स्टीवन वेनबर्ग को 1979 में भौतिकी में नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया था।

विद्युत चुंबकत्व

विद्युत चुंबकत्व वह बल है जो विद्युत आवेशित कणों के बीच कार्य करता है। इस घटना में स्थिर आवेशित कणों के बीच स्थिर विद्युत बल और एक दूसरे के सापेक्ष गतिमान आवेशित कणों के बीच कार्य करने वाले विद्युत और चुंबकीय बलों का संयुक्त प्रभाव शामिल है।

विद्युत चुंबकत्व में गुरुत्वाकर्षण की तरह एक अनंत सीमा होती है, लेकिन यह उससे बहुत अधिक मजबूत होती है, और इसलिए रोजमर्रा के अनुभव की कई स्थूलदर्शीय घटनाओं का वर्णन करती है जैसे कि घर्षण, इंद्रधनुष, बिजली, और विद्युत प्रवाह का उपयोग करने वाले सभी मानव निर्मित उपकरण, जैसे कि टेलीविजन, लेजर, और कंप्यूटर। विद्युत चुंबकत्व मूल रूप से सभी स्थूलदर्शीय, और कई परमाणु-स्तर, रासायनिक तत्वों के गुणों को निर्धारित करता है, जिसमें सभी रासायनिक बंधन शामिल हैं।

चार किलोग्राम (~1 गैलन) पानी के जग में होता है

$4000\ {\mbox{g}}\,{\rm {{H}_{2}{\rm {{O}\cdot {\frac {1\ {\mbox{mol}}\,{\rm {{H}_{2}{\rm {O}}}}}{18\ {\mbox{g}}\,H_{2}O}}\cdot {\frac {10\ {\mbox{mol}}\,e^{-}}{1\ {\mbox{mol}}\,H_{2}O}}\cdot {\frac {96,000\ {\mbox{C}}\,}{1\ {\mbox{mol}}\,e^{-}}}=2.1\times 10^{8}C\ \,\ }}}}$

कुल इलेक्ट्रॉन आवेश का। इस प्रकार, यदि हम ऐसे दो जगों को एक मीटर की दूरी पर रखते हैं, तो एक जग में इलेक्ट्रॉन दूसरे जग के इलेक्ट्रॉनों के उस बल से प्रतिकर्षित करते हैं

${1 \over 4\pi \varepsilon _{0}}{\frac {(2.1\times 10^{8}\mathrm {C} )^{2}}{(1m)^{2}}}=4.1\times 10^{26}\mathrm {N} .$

यह बल पृथ्वी ग्रह के भार से कई गुना बड़ा है। एक जग में परमाणु नाभिक भी दूसरे को उसी बल से प्रतिकर्षित करते हैं। हालांकि, इन प्रतिकर्षण बलों को जग ए में इलेक्ट्रॉनों के आकर्षण से जग बी में नाभिक के साथ रद्द कर दिया जाता है और जग बी में इलेक्ट्रॉनों के साथ जग ए में नाभिक का आकर्षण होता है, जिसके परिणामस्वरूप कोई शुद्ध बल नहीं होता है। विद्युतचुंबकीय बल गुरुत्वाकर्षण की तुलना में बहुत अधिक शक्तिशाली होते हैं लेकिन रद्द हो जाते हैं ताकि बड़े पिंडों के लिए गुरुत्वाकर्षण हावी हो जाए।

विद्युत और चुंबकीय घटनाएं प्राचीन काल से देखी जाती रही हैं, लेकिन केवल 19वीं शताब्दी में जेम्स क्लर्क मैक्सवेल ने पाया कि बिजली और चुंबकत्व एक ही मौलिक पारस्परिक प्रभाव के दो पहलू हैं। 1864 तक, मैक्सवेल के समीकरणों ने इस एकीकृत अंतःक्रिया को कड़ाई से निर्धारित किया था। मैक्सवेल का सिद्धांत, वेक्टर कैलकुलस का उपयोग करके, विद्युत चुंबकत्व का शास्त्रीय सिद्धांत है, जो अधिकांश तकनीकी उद्देश्यों के लिए उपयुक्त है।

निर्वात में प्रकाश की निरंतर गति (आमतौर पर लोअरकेस अक्षर " c " के साथ वर्णित) मैक्सवेल के समीकरणों से प्राप्त की जा सकती है, जो विशेष सापेक्षता के सिद्धांत के अनुरूप हैं। हालांकि, अल्बर्ट आइंस्टीन के विशेष सापेक्षत के 1905 के सिद्धांत, जो इस अवलोकन से अनुसरण करता है कि प्रकाश की गति स्थिर है, चाहे पर्यवेक्षक कितनी भी तेजी से आगे बढ़ रहा हो, ने दिखाया कि मैक्सवेल के समीकरणों द्वारा निहित सैद्धांतिक परिणाम का विद्युत चुंबकत्व से समय और स्थान की बहुत प्रकृति पर अधिक गहरा प्रभाव पड़ता है।

शास्त्रीय इलेक्ट्रो-चुंबकत्व से विदा हुए एक अन्य काम में, आइंस्टीन ने मैक्स प्लैंक की खोज का उपयोग करके प्रकाश-विद्युत प्रभाव को भी समझाया कि प्रकाश आवृत्ति के आधार पर विशिष्ट ऊर्जा सामग्री के 'क्वांटा' में प्रसारित होता है, जिसे अब हम फोटॉन कहते हैं। 1927 के आसपास, पॉल डिराक ने क्वांटम यांत्रिकी को विद्युत चुंबकत्व के सापेक्षतावादी सिद्धांत के साथ जोड़ा। 1940 के दशक में रिचर्ड फेनमैन, फ्रीमैन डायसन, जूलियन श्विंगर और सिन-इटिरो टोमोनागा द्वारा आगे के काम ने इस सिद्धांत को पूरा किया, जिसे अब क्वाण्टम विद्युत्गतिकी कहा जाता है, जो विद्युत चुंबकत्व का संशोधित सिद्धांत है। क्वाण्टम विद्युत्गतिकीऔर क्वांटम यांत्रिकी क्वांटम टनलिंग जैसे विद्युत चुम्बकीय व्यवहार के लिए एक सैद्धांतिक आधार प्रदान करते हैं, जिसमें विद्युत आवेशित कणों का एक निश्चित प्रतिशत उन तरीकों से चलता है जो शास्त्रीय विद्युत चुम्बकीय सिद्धांत के तहत असंभव होगा, जो कि ट्रांजिस्टर जैसे रोजमर्रा के इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के कार्य के लिए आवश्यक है।

कमजोर पारस्परिक प्रभाव

कमजोर अंतःक्रिया या कमजोर परमाणु बल कुछ परमाणु घटनाओं जैसे बीटा क्षय के लिए जिम्मेदार है। विद्युत चुंबकत्व और कमजोर बल को अब एक एकीकृत विद्युत् दुर्बल पारस्परिक प्रभावके दो पहलुओं के रूप में समझा जाता है - यह खोज मानक मॉडल के रूप में ज्ञात एकीकृत सिद्धांत की ओर पहला कदम था। विद्युत् दुर्बल पारस्परिक प्रभाव के सिद्धांत में, कमजोर बल के वाहक बड़े पैमाने पर गेज बोसॉन होते हैं जिन्हें डब्ल्यू और जेड बोसॉन कहा जाता है। कमजोर अंतःक्रिया ही एकमात्र ज्ञात अंतःक्रिया है जो समता का संरक्षण नहीं करती है, यह बाएं-दाएं असममित है। कमजोर अंतःक्रिया सीपी समरूपता का भी उल्लंघन करती है लेकिन सीपीटी का संरक्षण करती है।

मजबूत पारस्परिक प्रभाव

मजबूत अंतःक्रिया, या मजबूत परमाणु बल, सबसे जटिल अंतःक्रिया है, जिसका मुख्य कारण यह है कि यह दूरी के साथ बदलता रहता है। नाभिकीय बल लगभग 1 फीमेलमीटर (fm, या 10−15 मीटर) की दूरी पर स्थित नाभिकों के बीच शक्तिशाली रूप से आकर्षक होता है, लेकिन यह लगभग 2.5 fm से अधिक दूरी पर तेजी से नगण्य हो जाता है। 0.7 fm से कम दूरी पर, परमाणु बल प्रतिकारक हो जाता है। यह प्रतिकारक घटक नाभिक के भौतिक आकार के लिए जिम्मेदार होता

1908 में नाभिक की खोज के बाद, यह स्पष्ट हो गया था कि एक नए बल, जिसे आज परमाणु बल के रूप में जाना जाता है, को स्थिर वैद्युत विक्षेप प्रतिकर्षण, सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए प्रोटॉन के विद्युत चुंबकत्व की अभिव्यक्ति को दूर करने की आवश्यकता थी। अन्यथा, नाभिक मौजूद नहीं हो सकता था। इसके अलावा, प्रोटॉन को एक ऐसे आयतन में निचोड़ने के लिए बल को पर्याप्त मजबूत होना था जिसका व्यास लगभग 10 ⁻¹⁵ मीटर है, जो पूरे परमाणु की तुलना में बहुत छोटा है। इस बल की छोटी सीमा से, हिदेकी युकावा ने भविष्यवाणी की कि यह एक विशाल बल कण से जुड़ा था, जिसका द्रव्यमान लगभग 100 MeV है।

1947 में पायन की खोज ने कण भौतिकी के आधुनिक युग की शुरुआत की। 1940 से 1960 के दशक तक सैकड़ों हैड्रॉन की खोज की गई थी, और हैड्रोन के अत्यंत जटिल सिद्धांत को दृढ़ता से पारस्परिक प्रभाव करने वाले कणों के रूप में विकसित किया गया था। सबसे एहम:

• पायन्स को वैक्यूम कंडेनसेट्स के दोलनों के रूप में समझा जाता था,
• जून जॉन सकुराई ने rho और ओमेगा वेक्टर बोसॉन को आइसोस्पिन और हाइपरचार्ज की अनुमानित समरूपता के लिए बल ले जाने वाले कणों के रूप में प्रस्तावित किया,
• जेफ्री च्यू, एडवर्ड के. बर्डेट और स्टीवन फ्रौट्सची ने भारी हैड्रॉन को ऐसे परिवारों में समूहित किया जिन्हें स्ट्रिंग्स के कंपन और घूर्णी उत्तेजना के रूप में समझा जा सकता है।

जबकि इनमें से प्रत्येक दृष्टिकोण ने अंतर्दृष्टि प्रदान की, कोई भी दृष्टिकोण सीधे एक मौलिक सिद्धांत की ओर नहीं ले गया।

जॉर्ज ज़्विग के साथ मरे गेल-मान ने पहली बार 1961 में आंशिक रूप से चार्ज किए गए क्वार्क का प्रस्ताव रखा था। 1960 के दशक के दौरान, विभिन्न लेखकों ने क्वांटम क्रोमोडायनामिक्स (QCD) के आधुनिक मौलिक सिद्धांत के समान सिद्धांतों को क्वार्क की पारस्परिक प्रभाव के लिए सरल मॉडल माना। QCD के ग्लून्स की परिकल्पना करने वाले पहले मू-यंग हान और योइचिरो नंबू थे, जिन्होंने क्वार्क कलर चार्ज पेश किया था। हान और नंबू ने अनुमान लगाया कि यह एक बल-वाहक क्षेत्र से जुड़ा हो सकता है। उस समय, हालांकि, यह देखना मुश्किल था कि ऐसा मॉडल स्थायी रूप से क्वार्क को कैसे सीमित कर सकता है। हान और नंबू ने प्रत्येक क्वार्क रंग को एक पूर्णांक विद्युत आवेश भी सौंपा, ताकि क्वार्कों को केवल औसत रूप से आंशिक रूप से चार्ज किया गया, और उन्हें उम्मीद नहीं थी कि उनके मॉडल में क्वार्क स्थायी रूप से सीमित होंगे।

1971 में, मरे गेल-मान और हेराल्ड फ्रिट्ज ने प्रस्तावित किया कि हान/नंबू रंग गेज क्षेत्र आंशिक रूप से चार्ज किए गए क्वार्क की कम दूरी की पारस्परिक प्रभाव का सही सिद्धांत था। थोड़ी देर बाद, डेविड ग्रॉस, फ्रैंक विल्ज़ेक और डेविड पोलित्ज़र ने पाया कि इस सिद्धांत में स्पर्शोन्मुख स्वतंत्रता की संपत्ति थी, जिससे उन्हें प्रायोगिक साक्ष्य के साथ संपर्क बनाने की अनुमति मिली। उन्होंने निष्कर्ष निकाला कि QCD सभी दूरी के पैमानों पर सही, मजबूत अंतःक्रियाओं का पूरा सिद्धांत था। स्पर्शोन्मुख स्वतंत्रता की खोज ने अधिकांश भौतिकविदों को QCD को स्वीकार करने के लिए प्रेरित किया क्योंकि यह स्पष्ट हो गया कि मजबूत अंतःक्रियाओं के लंबी दूरी के गुण भी प्रयोग के अनुरूप हो सकते हैं यदि क्वार्क स्थायी रूप से सीमित हैं: मजबूत बल दूरी के साथ अनिश्चित काल तक बढ़ता है, क्वार्क को अंदर फँसाता है हैड्रोन

यह मानते हुए कि क्वार्क सीमित हैं, मिखाइल शिफमैन, अर्कडी वैंशेटिन और वेलेंटाइन ज़खारोव, क्यूसीडी से सीधे कई निचले स्तर के हैड्रॉन के गुणों की गणना करने में सक्षम थे, जिसमें वैक्यूम का वर्णन करने के लिए केवल कुछ अतिरिक्त पैरामीटर थे। 1980 में, केनेथ जी. विल्सन ने क्यूसीडी के पहले सिद्धांतों के आधार पर कंप्यूटर गणना प्रकाशित की, यह स्थापित करते हुए, कि क्यूसीडी क्वार्क को सीमित करेगा, निश्चितता के समान आत्मविश्वास का स्तर। तब से, QCD मजबूत अंतःक्रियाओं का स्थापित सिद्धांत रहा है।

हिग्स इंटरेक्शन

परंपरागत रूप से, हिग्स पारस्परिक प्रभाव को चार मूलभूत ताकतों में नहीं गिना जाता है।

फिर भी, हालांकि गेज इंटरेक्शन नहीं है और न ही किसी डिफोमोर्फिज्म समरूपता द्वारा उत्पन्न, हिग्स फील्ड का क्यूबिक युकावा कपलिंग कमजोर आकर्षक पांचवीं पारस्परिक प्रभाव का उत्पादन करता है। हिग्स तंत्र के माध्यम से सहज समरूपता को तोड़ने के बाद, युकावा शब्द फॉर्म के बने रहते हैं

${\frac {\lambda _{i}}{\sqrt {2}}}{\bar {\psi }}\phi '\psi ={\frac {m_{i}}{\nu }}{\bar {\psi }}\phi '\psi$

युकावा कपलिंग के साथ $\lambda _{i}$, कण द्रव्यमान $m_{i}$ ( ईवी में), और हिग्स वैक्यूम अपेक्षा मूल्य 246.22 GeV हैं। इसलिए युग्मित कण एक आभासी हिग्स बोसोन का आदान-प्रदान कर सकते हैं, जो फॉर्म की शास्त्रीय क्षमता प्रदान करते हैं

$V(r)=-{\frac {m_{i}m_{j}}{m_{\rm {H}}^{2}}}{\frac {1}{4\pi r}}e^{-m_{\rm {H}}\,c\,r/\hbar }$ ,

हिग्स मास के साथ125.18 हैं। क्योंकि हिग्स बोसोन की घटी हुई कॉम्पटन तरंगदैर्घ्य इतनी छोटी है ( 1.576×10⁻¹⁸, डब्ल्यू और जेड बोसॉन की तुलना में), इस क्षमता में कुछ एटोमीटर की प्रभावी सीमा होती है। दो इलेक्ट्रॉनों के बीच, यह कमजोर अंतःक्रिया की तुलना में लगभग 10 ¹¹ गुना कमजोर शुरू होता है, और गैर-शून्य दूरी पर तेजी से कमजोर होता है।

मानक मॉडल से परे

विद्युत् दुर्बल एकीकरण के मॉडल पर मौजूदा चार मूलभूत अंतःक्रियाओं को व्यवस्थित करने के लिए कई सैद्धांतिक प्रयास किए गए हैं।

ग्रैंड यूनिफाइड थ्योरी (जीयूटी) यह दिखाने के प्रस्ताव हैं कि स्टैंडर्ड मॉडल द्वारा वर्णित तीन मूलभूत पारस्परिक प्रभाव समरूपता के साथ एक ही पारस्परिक प्रभाव के सभी अलग-अलग अभिव्यक्तियां हैं जो ऊर्जा के कुछ बेहद उच्च स्तर के नीचे टूट जाती हैं और अलग-अलग पारस्परिक प्रभाव बनाती हैं। जीयूटी से प्रकृति के स्थिरांक के बीच कुछ संबंधों की भविष्यवाणी करने की भी उम्मीद की जाती है जो मानक मॉडल असंबंधित के रूप में व्यवहार करता है, साथ ही विद्युत चुम्बकीय, कमजोर और मजबूत बलों की सापेक्ष ताकत के लिए गेज युग्मन एकीकरण की भविष्यवाणी करता है (उदाहरण के लिए, 1991 में सुपरसिमेट्रिक सिद्धांतों के लिए लार्ज इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर में सत्यापित किया गया था)।

हर चीज के सिद्धांत, जो क्वांटम गुरुत्व सिद्धांत के साथ GUTs को एकीकृत करते हैं, एक बड़ी बाधा का सामना करते हैं, क्योंकि कोई भी क्वांटम गुरुत्व सिद्धांत, जिसमें स्ट्रिंग सिद्धांत, लूप क्वांटम गुरुत्व और ट्विस्टर सिद्धांत शामिल हैं, ने व्यापक स्वीकृति प्राप्त नहीं की है। कुछ सिद्धांत बल-वाहक कणों की मानक मॉडल सूची को पूरा करने के लिए गुरुत्वाकर्षण की तलाश करते हैं, जबकि अन्य, जैसे लूप क्वांटम गुरुत्वाकर्षण, इस संभावना पर जोर देते हैं कि समय-स्थान में ही क्वांटम पहलू हो सकता है।

मानक मॉडल से परे कुछ सिद्धांतों में एक काल्पनिक पाँचवाँ बल शामिल है, और इस तरह के बल की खोज भौतिकी में प्रायोगिक अनुसंधान की एक सतत पंक्ति है। सुपरसिमेट्रिक सिद्धांतों में, ऐसे कण होते हैं जो सुपरसिमेट्री ब्रेकिंग इफेक्ट्स के माध्यम से ही अपना द्रव्यमान प्राप्त करते हैं और ये कण, जिन्हें मोडुली के रूप में जाना जाता है, नए बलों की मध्यस्थता कर सकते हैं। नई ताकतों की तलाश करने का एक अन्य कारण यह खोज है कि ब्रह्मांड का विस्तार तेज हो रहा है (जिसे डार्क एनर्जी भी कहा जाता है), जिससे एक गैर- ब्रह्मांड संबंधी स्थिरांक की व्याख्या करने की आवश्यकता होती है, और संभवतः सामान्य सापेक्षता के अन्य संशोधनों के लिए। पांचवीं ताकतों को भी सीपी उल्लंघन, डार्क मैटर और डार्क फ्लो जैसी घटनाओं की व्याख्या करने का सुझाव दिया गया है।

यह सभी देखें

• सर्वोत्कृष्टता, एक परिकल्पित पाँचवीं शक्ति।
• जेरार्डस 'टी हूफ्टे
• एडवर्ड विटन
• हावर्ड जॉर्जी