प्रकृति की चार मूलभूत शक्तियाँ | विज्ञान और प्रौद्योगिकी (Science & Technology) for UPSC CSE PDF Download

ब्रह्मांड चार मौलिक बलों द्वारा शासित होता है जो कणों और पदार्थ के बीच के अंतःक्रियाओं को नियंत्रित करते हैं। ये बल प्रकृति में विभिन्न घटनाओं के लिए जिम्मेदार हैं, जो मैक्रोस्कोपिक और सबएटोमिक स्तर पर देखी जाती हैं। चार मौलिक बल हैं: गुरुत्वाकर्षण बल, कमजोर नाभिकीय बल, विद्युतचुंबकीय बल, और मजबूत नाभिकीय बल.

• विवरण: गुरुत्वाकर्षण बल चार मौलिक बलों में सबसे कमजोर है लेकिन इसका दायरा अनंत है, जो ब्रह्मांड में किसी भी दो पदार्थ के बीच कार्य करता है। यह हमेशा आकर्षक होता है, जिससे सभी वस्तुएँ जिनका द्रव्यमान होता है, एक-दूसरे की ओर आकर्षित होती हैं।
• विशेषता: कमजोर लेकिन लंबी दूरी वाला।
• श्रोत: द्रव्यमान गुरुत्वाकर्षण बल का श्रोत है।

• विवरण: कमजोर नाभिकीय बल अगले सबसे कमजोर बल है और इसका दायरा बहुत छोटा है। यह प्रक्रियाओं जैसे कि रेडियोधर्मी विघटन और न्यूट्रिनो अंतःक्रिया के लिए जिम्मेदार है।
• विशेषता: कमजोर और छोटी दूरी वाला।
• भूमिका: बीटा विघटन का कारण बनता है, जिसमें एक न्यूट्रॉन को प्रोटॉन, एक इलेक्ट्रॉन और एक एंटी-न्यूट्रिनो में परिवर्तित किया जाता है।

• विवरण: विद्युतचुंबकीय बल कमजोर बल से मजबूत है और इसका दायरा अनंत है। यह विद्युत और चुंबकीय प्रभावों को नियंत्रित करता है, जिससे समान विद्युत आवेशों के बीच प्रतिकर्षण और चुंबकीय क्षेत्रों की अंतःक्रियाएँ होती हैं।
• विशेषता: मजबूत और लंबी दूरी वाला।
• अंतःक्रिया: केवल आवेशित कणों के बीच कार्य करता है।
• प्रभाव: यह बिजली, चुंबकत्व, और प्रकाश उत्पादन के लिए जिम्मेदार है।

• विवरण: मजबूत नाभिकीय बल मौलिक बलों में सबसे मजबूत है लेकिन इसका कार्य क्षेत्र बहुत छोटा है। यह परमाणुओं के नाभिकों को एक साथ रखने के लिए जिम्मेदार है।
• विशेषता: मजबूत लेकिन छोटी दूरी वाला।
• स्वभाव: मूलतः आकर्षक लेकिन कुछ परिस्थितियों में प्रतिकर्षक हो सकता है।
• वाहक: यह बल ग्लूऑन नामक कणों द्वारा संचारित होता है।
• भूमिका: यह प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के भीतर क्वार्क को ग्लूऑन के आदान-प्रदान के माध्यम से बांधता है।

बलों के बीच मुख्य भिन्नताएँ:

शक्ति: गुरुत्वाकर्षण बल सबसे कमजोर है, जबकि मजबूत परमाणु बल सबसे मजबूत है।

• सीमा: गुरुत्वाकर्षण और विद्युतचुंबकीय बलों की सीमा असीमित है, जबकि कमजोर और मजबूत परमाणु बलों की सीमाएं छोटी होती हैं।
• स्वभाव: गुरुत्वाकर्षण बल हमेशा आकर्षित करने वाला होता है, जबकि विद्युतचुंबकीय बल आकर्षित या प्रतिकर्षित दोनों हो सकता है। मजबूत बल मुख्यतः आकर्षित करने वाला होता है लेकिन विशेष परिस्थितियों में यह प्रतिकर्षक व्यवहार भी प्रदर्शित कर सकता है।
• परस्पर क्रिया: गुरुत्वाकर्षण बल किसी भी वस्तु के बीच क्रिया करता है जिनका द्रव्यमान होता है, जबकि विद्युतचुंबकीय बल केवल चार्जित कणों के बीच क्रिया करता है।

बलों का महत्व:

• गुरुत्वाकर्षण बल आकाशीय पिंडों की गति को नियंत्रित करता है और बड़े पैमाने पर ब्रह्मांड की संरचना को आकार देने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।
• कमजोर परमाणु बल विकिरणीय अपघटन जैसे घटनाओं के लिए जिम्मेदार है, जो कुछ परमाणु नाभिकों के प्राकृतिक अपघटन में योगदान करता है।
• विद्युतचुंबकीय बल रोजमर्रा की बिजली और चुम्बकीय इंटरैक्शन के पीछे है, जो प्रौद्योगिकी और दैनिक जीवन की सुविधाओं को सक्षम करता है।
• मजबूत परमाणु बल प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के भीतर क्वार्कों को बांधता है, जिससे परमाणु नाभिकों का निर्माण और पदार्थ की स्थिरता संभव होती है।

मूलभूत बलों का एकीकरण - प्लैंक स्केल से ग्रैंड यूनिफाइड थियरीज तक

प्रारंभिक ब्रह्मांड में, जब तापमान अत्यधिक उच्च था, तब सभी चार मूलभूत बल (गुरुत्वाकर्षण, विद्युत-चुंबकीय, कमजोर, और मजबूत) का एकीकृत होना माना जाता है। जैसे-जैसे तापमान कम हुआ, इन बलों ने प्राकृतिक समरूपता टूटने की प्रक्रिया का अनुभव किया, जिससे वे एक-दूसरे से अलग हो गए। सबसे पहलेमजबूत बल अलग हुआ, उसके बादविद्युत-चुंबकीय औरकमजोर बल और भी कम तापमान पर अलग हुए। इसने अंततः हमारे वर्तमान ब्रह्मांड में देखे गए चार विशिष्ट बलों की उत्पत्ति की। जबकिकमजोर औरविद्युत-चुंबकीय अंतःक्रियाओं को स्टैण्डर्ड इलेक्ट्रोवीक थियरी के तहत सफलतापूर्वक एकीकृत किया गया है, ग्रैंड यूनिफिकेशन थियरीज (GUTs) का उद्देश्यमजबूत औरइलेक्ट्रोवीक अंतःक्रियाओं को एक ही गणितीय ढांचे के तहत मानना है।

प्रारंभिक ब्रह्मांड और एकीकृत बल

• प्लैंक स्केल पर, प्रारंभिक ब्रह्मांड ने अत्यधिक तापमान और ऊर्जा परिस्थितियों का अनुभव किया।
• सभी चार मूलभूत बल (गुरुत्वाकर्षण, विद्युत-चुंबकीय, कमजोर, और मजबूत) को एक ही बल में एकीकृत माना जाता था।
• जैसे-जैसे ब्रह्मांड का विस्तार और शीतलन हुआ, स्वाभाविक समरूपता का टूटना हुआ, जिससे बल एक-दूसरे से अलग हो गए।

स्टैण्डर्ड इलेक्ट्रोवीक थियरी

• ग्लाशो, वेनबर्ग, और सलाम को 1979 में स्टैण्डर्ड इलेक्ट्रोवीक थियरी के लिए नोबेल पुरस्कार मिला।
• यह थ्योरीकमजोर औरविद्युत-चुंबकीय अंतःक्रियाओं को एक एकल इलेक्ट्रोवीक बल में सफलतापूर्वक एकीकृत करती है।
• कमजोर और विद्युत-चुंबकीय अंतःक्रियाओं के एकीकरण के पक्ष मेंमजबूत प्रयोगात्मक प्रमाण हैं।

ग्रैंड यूनिफिकेशन थियरीज (GUTs)

• GUTs का उद्देश्यमजबूत औरइलेक्ट्रोवीक अंतःक्रियाओं को एक ही गणितीय ढांचे के तहत एकीकृत करना है।
• गुरुत्वाकर्षण को एकीकरण प्रक्रिया में शामिल करने का प्रयास करने वाले सिद्धांतों कोसुपर यूनिफाइड थियरीज़ कहा जाता है।
• GUTs और सुपर यूनिफाइड थियरीज़ अभी भी सैद्धांतिक अटकलें हैं और इनमें प्रयोगात्मक पुष्टि की कमी है।

बलों का पृथक्करण

• जैसे-जैसे ब्रह्मांड और ठंडा होता है, मजबूत बल सबसे पहले अलग होता है।
• कम तापमान पर, विद्युत-चुंबकीय और कमजोर बल अलग होते हैं, जिससे चार विशिष्ट बल उत्पन्न होते हैं।

GUTs की भूमिका ब्रह्मांड को समझने में

• GUTs को ब्रह्मांड कीमूलभूत प्रकृति को समझने के लिए आवश्यक माना जाता है।
• हालांकि प्रयोगात्मक रूप से सिद्ध नहीं हुए हैं, GUTs जैसी थियरीज़ के अस्तित्व के समर्थन मेंमजबूत परिधीय प्रमाण हैं।
• GUTs ब्रह्मांड में मूलभूत अंतःक्रियाओं का एक एकीकृत वर्णन प्रदान करने की क्षमता रखते हैं।