चार मूल बल

गुरुत्वाकर्षण चारों बलों में से एकमात्र ऐसा है जो रोज़मर्रा के जीवन में सीधे महसूस होता है — क्योंकि यह हमेशा आकर्षक होता है और ब्रह्मांडीय दूरियों पर संचित होता जाता है। विद्युत-चुंबकत्व भी उतनी ही दूर तक प्रभावी होता, लेकिन पदार्थ में धनात्मक और ऋणात्मक आवेश एक-दूसरे को संतुलित कर देते हैं।

मानक मॉडल के दायरे में गुरुत्वाकर्षण को क्वांटीकृत नहीं किया जा सकता। स्पिन 2 वाला एक ग्रैविटॉन उपयुक्त वाहक होता, लेकिन इससे बनने वाले क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत कोई पुनर्सामान्यीकरण योग्य सिद्धांत नहीं देते — वे उच्च ऊर्जाओं पर टूट जाते हैं। ग्रैविटॉन अब भी काल्पनिक बना हुआ है; इसके द्रव्यमान की ऊपरी सीमा LIGO के गुरुत्वाकर्षण-तरंग मापनों से आती है।

इसी कारण भौतिक विज्ञानी क्वांटम गुरुत्वाकर्षण के सिद्धांत की खोज कर रहे हैं — स्ट्रिंग सिद्धांत और लूप क्वांटम गुरुत्वाकर्षण सबसे जाने-माने उम्मीदवार हैं, दोनों बिना किसी प्रायोगिक प्रमाण के।

विद्युत-चुंबकत्व का वर्णन क्वांटम विद्युतगतिकी (QED) द्वारा किया जाता है — भौतिकी का सबसे सटीक परखा गया सिद्धांत। इलेक्ट्रॉन का चुंबकीय आघूर्ण बारह दशमलव स्थानों तक भविष्यवाणी से मेल खाता है।

वाहक कण, फोटॉन, द्रव्यमानरहित है और प्रकाश की गति से गति करता है। समान आवेश एक-दूसरे को प्रतिकर्षित करते हैं, विपरीत आवेश आकर्षित करते हैं — गुरुत्वाकर्षण के विपरीत, विद्युत-चुंबकत्व इसलिए आकर्षक और प्रतिकर्षक दोनों रूप से कार्य कर सकता है, यही कारण है कि पदार्थ में यह स्थूल स्तर पर लगभग हमेशा संतुलित रहता है।

सूक्ष्म संरचना स्थिरांक α ≈ 1/137 (विमाहीन) युग्मन की शक्ति को दर्शाता है। इसका मान भौतिकी के बड़े अनसुलझे रहस्यों में से एक है — कोई नहीं जानता कि इसका मान ठीक यही क्यों है।

Quark एक रंग आवेश (लाल, हरा, नीला — पूरी तरह प्रतीकात्मक) रखते हैं। आठ ग्लूऑन इनके बीच प्रबल बल का संचार करते हैं। निर्णायक बात यह है: ग्लूऑन स्वयं रंग आवेश रखते हैं और इसलिए आपस में भी अन्योन्यक्रिया करते हैं — फोटॉनों के विपरीत, जो कोई विद्युत आवेश नहीं रखते।

इससे परिरोध (कन्फाइनमेंट) उत्पन्न होता है: जितना अधिक दो Quark को अलग किया जाता है, बल उतना ही प्रबल होता जाता है — जैसे एक रबर बैंड। पर्याप्त ऊर्जा पर बैंड टूट जाता है, लेकिन स्वतंत्र Quark की जगह तुरंत नए Quark-प्रतिक्वार्क युग्म बन जाते हैं। प्रकृति में स्वतंत्र Quark का अस्तित्व नहीं है।

बहुत कम दूरियों पर (बहुत उच्च ऊर्जाओं पर) इसके विपरीत Quark लगभग स्वतंत्र हो जाते हैं — असिम्प्टोटिक स्वतंत्रता, जिसके लिए ग्रॉस, पॉलिट्ज़र और विल्चेक को 2004 में नोबेल पुरस्कार मिला।

वाहक कण W± और Z⁰ 80 GeV/c² से अधिक द्रव्यमान के साथ अत्यंत भारी हैं — इसीलिए (हाइज़ेनबर्ग के अनुसार) इनकी परास बेहद छोटी है। यह द्रव्यमान हिग्स तंत्र (Higgs-Mechanismus) से उत्पन्न होता है: W-बोसॉन हिग्स-क्षेत्र से युग्मित होकर अपनी जड़ता प्राप्त करता है।

अनूठी बात: W-बोसॉन कण के प्रकार को बदल सकता है। बीटा-माइनस क्षय में एक डाउन-Quark एक अप-Quark में परिवर्तित हो जाता है: d → u + W⁻। फिर W⁻ एक इलेक्ट्रॉन और एक प्रतिन्यूट्रिनो में क्षय होता है। इसी प्रकार सूर्य के आंतरिक भाग में हाइड्रोजन हीलियम में संलयित होता है।

दुर्बल बल समता (वाम-दक्षिण सममिति) को अधिकतम रूप से तोड़ता है — यह केवल वामहस्त फर्मियॉनों से युग्मित होता है। यह कण भौतिकी की सबसे चौंकाने वाली खोजों में से एक थी (वू-प्रयोग, 1956)।