As quatro forças fundamentais
Todos os fenômenos do universo — desde maçãs que caem até estrelas que explodem — surgem de quatro interações fundamentais. Cada uma tem seu próprio portador, seu próprio alcance e sua própria intensidade.
Gravidade
A força mais fraca, mas a mais universal. Atua sobre tudo o que possui energia, a distâncias quaisquer — e é, ainda assim, a única força para a qual não temos uma teoria quântica.
A gravidade é a única das quatro forças que se manifesta diretamente no cotidiano — porque é sempre atrativa e se acumula ao longo de distâncias cósmicas. O eletromagnetismo teria alcance igualmente grande, mas cargas positivas e negativas se equilibram na matéria.
No âmbito do modelo padrão, a gravidade não pode ser quantizada. Um gravitão de spin 2 seria o portador adequado, mas as teorias quânticas de campo resultantes não fornecem uma teoria renormalizável — elas divergem em altas energias. O gravitão permanece hipotético; o limite superior de sua massa vem de medições de ondas gravitacionais do LIGO.
Por isso, os físicos buscam uma teoria da gravidade quântica — a teoria das cordas e a gravidade quântica em laços são os candidatos mais conhecidos, ambos sem comprovação experimental.
Eletromagnetismo
Luz, química, eletrônica — tudo eletromagnético. A troca de fótons sem massa atua a distâncias infinitas e é responsável por quase todo fenômeno que vemos e tocamos no cotidiano.
O eletromagnetismo é descrito pela eletrodinâmica quântica (QED) — a teoria mais precisamente testada da física. O momento magnético do elétron coincide com a previsão em doze casas decimais.
A partícula portadora, o fóton, não tem massa e se move à velocidade da luz. Duas cargas de mesmo sinal se repelem, duas de sinais opostos se atraem — ao contrário da gravidade, o eletromagnetismo pode, portanto, ser atrativo e repulsivo, razão pela qual na matéria ele quase sempre está compensado macroscopicamente.
A constante de estrutura fina α ≈ 1/137 (adimensional) indica a intensidade do acoplamento. Seu valor é um dos grandes enigmas em aberto da física — ninguém sabe por que ela tem exatamente esse valor.
Força forte
A força mais forte do universo mantém os quarks presos dentro de prótons e nêutrons — e mantém os prótons unidos no núcleo atômico. Ela funciona segundo um princípio totalmente diferente das demais forças: o confinamento de quarks.
Os quarks carregam uma carga de cor (vermelho, verde, azul — puramente simbólico). Os oito glúons transmitem a força forte entre eles. Fato decisivo: os próprios glúons carregam carga de cor e, portanto, interagem entre si — diferentemente dos fótons, que não carregam carga elétrica.
Isso leva ao confinamento: quanto mais se separam dois quarks, mais forte fica a força — como um elástico. Com energia suficiente, o "elástico" se rompe, mas em vez de quarks livres surgem imediatamente novos pares quark-antiquark. Quarks livres não existem na natureza.
Já a distâncias muito curtas (energias muito altas), os quarks ficam quase livres — a liberdade assintótica, pela qual Gross, Politzer e Wilczek receberam o Prêmio Nobel em 2004.
Força fraca
A força fraca é responsável pelo decaimento beta radioativo e é a única força capaz de mudar o sabor das partículas — além de violar a paridade. Sem ela, o Sol não brilharia.
As partículas portadoras W± e Z⁰ são extremamente massivas, com mais de 80 GeV/c² — daí o alcance minúsculo (segundo Heisenberg). Essa massa surge por meio do mecanismo de Higgs: o bóson W acopla-se ao campo de Higgs e assim ganha sua inércia.
De forma única: o bóson W pode mudar o sabor da partícula. No decaimento beta-menos, um quark down é convertido em um quark up: d → u + W⁻. O W⁻ então decai em um elétron e um antineutrino. É assim que, no interior do Sol, o hidrogênio é fundido em hélio.
A força fraca viola a paridade (simetria esquerda-direita) ao máximo — ela se acopla exclusivamente a férmions de mão esquerda. Essa foi uma das descobertas mais surpreendentes da física de partículas (experimento de Wu, 1956).