Има четири фундаментални сили, от които зависи взаимодействието между всички частици и широкомащабното поведение на материята в цялата Вселена. Тези сили са силната и слабата ядрена сила, електромагнитната сила и гравитацията.

Гравитационно взаимодействие

Гравитацията е сила на привличане, която влияе на всички частици във Вселената. Тя винаги е сила на привличане и никога на отблъскване. Тя събира материята заедно, кара телата да тежат, задържа Луната в орбита около Земята и свързва галактиките.

Електромагнитно взаимодействие

Електромагнитната сила определя начините, по които се държат електрически заредени частици с други като тях и с магнитни полета.

Силата може да е на привличане или отблъскване. Частици с еднакъв заряд се отблъскват, а с различен се привличат. Електромагнитната сила държи отрицателно заредените електрони в орбита около положително заредените протони в атомите.

Електромагнитната сила контролира държането на заредени частици и плазми (плазмата е смес от еднакъв брой позитивни йони и негативни електрони) като например в слънчевата корона.

Електромагнитната сила също е отговорна за излъчването и поглъщането на светлина и други форми на електромагнитна радиация.

Светлина бива излъчена, когато заредена частица бъде ускорена (на пример, когато електрон мине покрай йон или си взаимодейства с магнитно поле) или когато електрон минава от високо в по-ниско енергийно състояние в атом (от външна във вътрешна орбита около атомното ядро).

Силно ядрено взаимодействие

Силната ядрена сила свързва протоните и неутроните, изграждащи ядрото и се противопоставя на силата на отблъскване между еднакво (позитивно) заредените протони.

Силното ядрено взаимодействие между индивидуалните протони и неутрони най-вероятно е следствие от по-фундаментална силна сила (наречена „цветна сила"), която свързва кварките в групи от по три, за да изгради протоните и неутроните.

Понеже силното взаимодействие свързва ядрените частици толкова здраво, при свързването на леки атомни ядра (термоядрена реакция) и при разпадането на тежки атомни ядра (ядрена реакция) се отделят огромни количества енергия. Силното взаимодействие е огромният източник на енергия, който „задвижва" звездите, както и атомните електроцентрали и атомните бомби.

Слабо ядрено взаимодействие

Слабото ядрено взаимодействие кара ядрата на някои елементи да се разпадат. Тази сила управлява процеса наречен „бета разпадане", при който неутрон спонтанно се разпада на протон, електрон и антинеутрино.

Ако неутрон се държи по този начин в атомно ядро, то ядрото излъчва електрон (познат като „бета частица" или „бета радиация") и неутрон се трансформира в протон. Това увеличава броя на протоните (с един) в ядрото на атома и така се увеличава атомния номер, което води до получаване на друг химичен елемент.

Слабата сила е отговорна за синтезирането на различни елементи в ядрата на звездите и при свръхновите. Когато неутрон се намира в стабилно (нерадиоактивно) атомно ядро, той е стабилна частица с дълъг живот. След като бъде изваден от стабилното ядро, неутрона ще се разпадне посредством бета разпадане за около 20 минути. Обратният процес на бета разпадането се наблюдава в колабиращите ядра при свръх новите, където протони и неутрони се „стапят" заедно, за да генерират огромния брой неутрони, изграждащи продукта на свръхновата – неутронната звезда.

Дългообхватни и късообхватни взаимодействия

Силните и слабите ядрени сили са ефективни само при екстремно къси разстояния. Обсега на силното взаимодействие е само 10е-15 метра, а на слабото 10е-17 метра. За разлика електромагнитното и гравитационното взаимодействие са дългообхватни, като силата е обратно пропорционална на квадрата на разстоянието.

Това означава, че ако разстоянието се увеличи двойно, силата се редуцира 4 пъти. По принцип гравитационната сила между две маси и електромагнитната сила между две заредени частици не става абсолютна нула, когато разстоянието стане безкрайно голямо. Когато сравняваме силите, гравитацията е най-слабата сила, следвана от слабата ядрена, електромагнитната и силната ядрена.

Примерно електромагнитното отблъскване между два протона е 10е36 (трилион трилиона) пъти по-голямо от гравитационното им привличане. Обаче, след като ядрените сили имат толкова малък обхват, а материята при големи мащаби е електрически неутрална, гравитацията определя движението на планетите, звездите и галактиките.

Природата на силите

Според модерните квантови теории фундаменталните сили пренасят енергия между реалните частици чрез въображаеми частици. Въображаемите частици не могат да бъдат пряко засечени. Тези частици често се наричат преносни частици.

Четирите преносни частици на четирите фундаментални взаимодействия са както следва: електромагнитно взаимодействие – фотони; слабо ядрено взаимодействие – много масивни W и Z бозони; силно ядрено взаимодействие – между нуклеоните чрез мезони, а между кварките чрез глуони; гравитационно взаимодействие – гравитони.





Обединени сили

При днешните температури и енергии във Вселената четирите сили се отличават една от друга и имат много различна големина. При много високи енергии, обаче, нещата се променят. При съвременните ускорители се постигат енергии (отговарящи на температури от порядъка на 10е15 Келвин), при които слабата ядрена сила и електромагнитната сила се сливат в електро-слаба сила.

Според някои теории електро-слабата сила и силната ядрена могат да се обединят в една сила при трилион пъти по-висока енергия. Все още това е много далеч от нещата, които можем да постигнем на Земята. Някои учени мислят, че при достатъчно големи енергии гравитацията ще се обедини с другите сили в суперсила. Ако тази теория е вярна, значи в първите моменти след Големия взрив Вселената е била доминирана от суперсилата.

След това Вселената се е увеличила и охладила (енергията на частиците намаляла), силите се разделили и придобили индивидуалните си характеристики: гравитацията около 10е-43 секунди след началото на времето; силното взаимодействие около 10е-35 секунди; слабото и електромагнитното взаимодействие 10е-11 секунди след Големия взрив.