miniatura|Interaccions fonamentals del Model Estàndard incloent-hi l'hipotètic gravitó. Els bosons es representen en colors no neutres, mentre que els fermions es representen en tons neutres (negre, gris i blanc). Les partícules massives es representen com a «esferes» amb un gradient de color, i les partícules sense massa es representen amb cercles de color «sòlid». En física, les interaccions fonamentals o interaccions bàsiques són el mecanisme mitjançant el qual les partícules s'influeixen mútuament, i aquestes accions recíproques no poden ser explicades d'altra manera. Hi ha quatre interaccions fonamentals que són les responsables de tots els fenòmens físics observats a l'univers:
Interacció gravitatòria. Interacció electromagnètica. Interacció feble. Interacció forta. En física clàssica, les lleis de la gravitació i de l'electromagnetisme són considerades com a axiomes, però en la teoria quàntica de camps aquestes forces són descrites a partir de l'intercanvi de bosons virtuals. El model estàndard de física de partícules descriu les interaccions fortes, febles i electromagnètiques, però encara no hi ha una teoria quàntica de la gravitació.
La intensitat de les interaccions fonamentals és molt diferent segons el cas (vegeu el quadre de sota), però si l'energia cinètica de les partícules augmenta s'aproximen. Es considera que les quatre interaccions fonamentals tenien la mateixa magnitud a l'entorn de les altíssimes energies que hi havia just després del big-bang.
Interacció Teoria actual Mediadors Força relativa Comportament a llarga distància Rang (m) Forta Cromodinàmica quàntica(CDQ) gluons 1038 10–15 Electromagnetisme Electrodinàmica quàntica(QED) fotons 1036 infinit Feble Teoria electrofeble bosons W i Z 1025 10–18 Gravitació Relativitat general(RG) 1 infinit
Interacció gravitatòria
La interacció gravitatòria actua entre masses i és sempre una força d'atracció. Amb la distància es debilita. Sembla ser la més present, però n'és la més feble. És la responsable del pes, del gir dels planetes al voltant del Sol i de l'estructura de l'Univers en general. La primera teoria de la gravitació fou la proposada per Isaac Newton, encara vàlida per a interaccions amb cossos poc massius. miniatura|Representació d'un camp gravitatori al voltant d'una massa M. Des del punt de vista de Newton, els cossos s'atreuen pel fet que tenen massa gravitacional. Hom pot visualitzar aquesta atracció gravitacional mitjançant un camp vectorial. Així, el camp gravitacional engendrat per una massa puntual m és el camp vectorial donat per l'expressió:
on G és la constant de gravitació, el valor de la qual és G = 6,6720 × 10–11 m3 s–2 kg–1, i r és el mòdul del vector que, amb origen a la massa puntual m, permet de localitzar els punts del camp. Aquest camp gravitacional és un camp conservatiu: deriva del potencial gravitacional, que és donat per l'expressió:
atès que:
miniatura|Llei de Newton de la gravitació o de l'atracció universal entre dues masses m1 i m2. La força gravitacional que experimenta una massa puntual m en ésser situada en un punt del camp gravitacional engendrat per la massa m compleix la llei de Newton de la gravitació o de l'atracció universal:
Aquesta força és conservativa; deriva de l'energia potencial gravitacional, que és donada per l'expressió:
atès que:
miniatura|La reixa cúbica de punts de l'espai es veu distorsionada a causa de la massa situada al centre segons la teoria de la relativitat general. Actualment la interacció gravitatòria es descriu de forma més general amb la teoria de la relativitat general d'Albert Einstein. En ella les conseqüències físiques dels camps gravitatoris s'enuncien de la manera següent:
L'espaitemps és un continu quadridimensional de geometria no euclidiana, i la curvatura de la geometria riemanniana de l'espaitemps és produïda per, o es relaciona amb, la distribució de matèria en l'univers. Les partícules i els raigs de llum es desplacen al llarg de les geodèsiques (els camins més curts) d'aquest món geomètric quadridimensional.
D'aquesta visió geomètrica de la gravitació se'n deriven dues conseqüències principals:
les acceleracions dels cossos depenen exclusivament de les seves masses i no de la seva constitució química o nuclear (principi feble d'equivalència), i la trajectòria d'un cos o de la llum en les proximitats d'un cos massiu (el Sol, per exemple) difereix lleugerament de la predita per la teoria de la gravitació universal de Newton.
Interacció electromagnètica
miniatura|Els electrons poden orbitar els nuclis atòmics gràcies a la interacció electromagnètica. La interacció electromagnètica es produeix entre partícules que tenen càrrega elèctrica o entre partícules que, tot i que són neutres, tenen constituents amb càrrega elèctrica. La interacció electromagnètica és d'abast infinit, i la seva partícula intermediària és el fotó. Es tracta d'una interacció més intensa que la interacció feble i que la interacció gravitatòria, però menys que la interacció forta, i és la responsable de tots els fenòmens electromagnètics.
Les equacions de Maxwell són un conjunt de quatre equacions fonamentals de l'electrodinàmica clàssica, que descriuen la dependència espaciotemporal del camp electromagnètic. La primera equació de Maxwell és la llei de Gauss i està relacionada amb la llei de Coulomb; també es pot enunciar afirmant que el flux del camp elèctric a través d'una superfície tancada és proporcional a la càrrega elèctrica neta que es troba en el seu interior. La segona és la llei de Gauss del magnetisme, que equival a afirmar que el flux del camp magnètic a través d'una superfície tancada és nul i, per tant, que no existeixen monopols magnètics. La tercera és la llei de Faraday que estableix que un camp magnètic variable en el temps sempre va acompanyat d'un camp elèctric. La quarta és la llei d'Ampère completada amb el corrent de desplaçament com a segon terme del segon membre, i descriu que les fonts de camp magnètic són els corrents elèctrics, però també les variacions temporals dels camps elèctrics.
La interacció electromagnètica entre els leptons carregats es descriu, amb extraordinària precisió, per mitjà de l'electrodinàmica quàntica i, conjuntament amb la interacció feble, per mitjà de la teoria electrofeble, en la qual ambdues interaccions s'unifiquen en una de sola, la interacció electrofeble. D'una manera més general, també són sensibles a la interacció electromagnètica els sistemes físics carregats elèctricament, com el protó, els nuclis atòmics o els ions, i els sistemes neutres constituïts per partícules carregades, com el neutró, els àtoms o les molècules. El camp elèctric i el camp magnètic són les versions clàssiques de la interacció electromagnètica a distància.
Interacció feble miniatura|Diagrama de Feynman que representa la transformació d'un quark d d'un neutró en un quark u, transformant-lo en un protó, amb producció d'un bosó W– que es desintegra en un electró i un antineutrí electrònic (desintegració β–).La interacció feble és una interacció que subjau a certes formes de radioactivitat, regeix la desintegració de partícules subatòmiques inestables, com ara els mesons, i enceta la reacció de fusió nuclear que alimenta el Sol. La interacció feble actua sobre els fermions levogirs —és a dir, partícules elementals amb valors semienters de moment angular intrínsec, o espín— i els antifermions dextrogirs. Es produeix entre quarks (u, d, s, c, t i b) i leptons (electró, muó, tauó i els seus neutrins), i també entre les seves antipartícules, de la qual també participen els hadrons (protó, neutró, pió...) pel seu contingut en quarks.
És més intensa que la interacció gravitatòria, però menys que la interacció forta i que la interacció electromagnètica. És una interacció de curt abast, ben per sota de la mida dels nuclis atòmics. L'efectivitat de la interacció feble es troba confinada a un interval de distància de 10−17 m, aproximadament l'1 % del diàmetre d'un nucli atòmic típic. En les desintegracions radioactives, la intensitat de la interacció feble és vora 100 000 vegades inferior a la intensitat de la força electromagnètica. No obstant això, actualment se sap que la interacció feble posseeix intrínsecament la mateixa intensitat que la força electromagnètica, i es considera que aquestes dues forces, aparentment distintes, són manifestacions diferents d'una força electrofeble unificada.
Les partícules intermediàries són els bosons vectorials W± i Z0. Aquestes partícules són massives, amb masses que representen aproximadament cent vegades la massa d'un protó, i és precisament la seva elevada massa la que defineix la naturalesa d'abast extremadament curt de la interacció feble i la que fa que aquesta interacció aparenti ser feble a les baixes energies associades a la radioactivitat. miniatura|Il·lustració d'un procés de fusió nuclear que involucra dos protons (cadena protó-protó). Per aquest mecanisme s'obté un nucli de deuteri, constituït per un protó i un neutró. Abans de la fusió, el protó es desintegra en un positró e+, un neutrí electrònic νe i un neutró gràcies a la interacció feble. La majoria de les partícules subatòmiques són inestables i es desintegren per la interacció feble, fins i tot si no poden desintegrar-se per la força electromagnètica o la força forta. Les vides mitjanes de les partícules que es desintegren mitjançant la interacció feble oscil·len des de valors tan ínfims com 10−13 s fins a 896 s, que correspon a la vida mitjana del neutró lliure. Els neutrons lligats en nuclis atòmics poden ser estables, tal com s'esdevé quan es troben en els elements químics familiars, però també poden donar lloc, mitjançant desintegracions febles, al tipus de radioactivitat coneguda com a desintegració β. En aquest cas, les vides mitjanes dels nuclis poden variar des d'una mil·lèsima de segon fins a milions d'anys. Malgrat que les interaccions febles de baixa energia són tènues, es produeixen amb freqüència al si del Sol i d'altres estrelles, on tant la temperatura com la densitat de la matèria són elevades. En el procés de fusió nuclear, que constitueix la font de producció d'energia estel·lar, dos protons interactuen per la via de la interacció feble per formar un nucli de deuteri (cadena protó-protó), el qual reacciona ulteriorment per generar heli, amb l'alliberament concomitant de grans quantitats d'energia.
Actualment, la interacció feble és descrita mitjançant la teoria electrofeble, en la qual queda unificada amb la interacció electromagnètica, de manera que es considera un únic tipus d'interacció, la interacció electrofeble. D'una manera més general, també són sensibles a la interacció feble els hadrons (mesons i barions), pel fet d'estar constituïts per quarks. Les característiques de la interacció feble, incloent-hi la seva intensitat relativa, el seu abast efectiu i la naturalesa de les partícules portadores de força, es troben compendiades en el model estàndard de la física de partícules.
Interacció forta
miniatura|Estructura del protó amb tres quarks que es mantenen units gràcies a la interacció forta. La interacció forta es produeix entre partícules que tenen càrrega de color, com els quarks i els gluons, i de la qual també participen els hadrons, en ser constituïts per quarks. Manté cohesionat, així mateix, el nucli atòmic.