De fundamentele krachten (of fundamentele interacties) van fysica zijn de manieren waarop individuele deeltjes met elkaar in wisselwerking staan. Het blijkt dat elke waargenomen interactie die plaatsvindt in het universum kan worden opgesplitst en beschreven door slechts vier (nou ja, in het algemeen vier — daarover later meer) soorten interacties:
- Zwaartekracht
- Elektromagnetisme
- Zwakke interactie (of zwakke nucleaire kracht)
- Sterke interactie (of sterke nucleaire kracht)
Zwaartekracht
Van de fundamentele krachten heeft de zwaartekracht het verste bereik, maar het is de zwakste in werkelijke omvang.
Het is een puur aantrekkelijke kracht die zelfs door de "lege" ruimte van tekenen heen reikt twee missen naar elkaar. Het houdt de planeten in een baan om de zon en de maan in een baan om de aarde.
Zwaartekracht wordt beschreven onder de theorie van algemene relativiteit, wat het definieert als de kromming van de ruimtetijd rond een voorwerp van massa. Deze kromming creëert op zijn beurt een situatie waarin het pad van de minste energie naar het andere massa-object gaat.
Elektromagnetisme
Elektromagnetisme is de interactie van deeltjes met een elektrische lading. Geladen deeltjes in rust werken door elektrostatische krachten, terwijl ze in beweging zijn, werken ze samen door middel van zowel elektrische als magnetische krachten.
Lange tijd werden de elektrische en magnetische krachten als verschillende krachten beschouwd, maar uiteindelijk werden ze verenigd door James Clerk Maxwell in 1864, onder de vergelijkingen van Maxwell. In de jaren 40 consolideerde de kwantumelektrodynamica het elektromagnetisme met de kwantumfysica.
Elektromagnetisme is misschien wel de meest voorkomende kracht in onze wereld, omdat het de dingen op een redelijke afstand en met een behoorlijke hoeveelheid kracht kan beïnvloeden.
Zwakke interactie
De zwakke interactie is een zeer krachtige kracht die werkt op de schaal van de atoomkern. Het veroorzaakt verschijnselen zoals bèta-verval. Het is geconsolideerd met elektromagnetisme als een enkele interactie die de 'elektrozwakke interactie' wordt genoemd. De zwakke interactie wordt gemedieerd door het W-boson (er zijn twee typen, de W+ en W- bosonen) en ook het Z-boson.
Sterke interactie
De sterkste van de krachten is de toepasselijk genaamde sterke interactie, de kracht die onder andere de nucleonen (protonen en neutronen) bij elkaar houdt. In de helium atoomhet is bijvoorbeeld sterk genoeg om er twee te binden protonen samen ondanks dat hun positieve elektrische ladingen ervoor zorgen dat ze elkaar afstoten.
In wezen zorgt de sterke interactie ervoor dat deeltjes die gluonen worden genoemd, quarks aan elkaar binden om in de eerste plaats de nucleonen te creëren. Gluonen kunnen ook interageren met andere gluonen, wat de sterke interactie een theoretisch oneindige afstand geeft, hoewel de belangrijkste manifestaties allemaal op subatomair niveau zijn.
Het verenigen van de fundamentele krachten
Veel natuurkundigen zijn van mening dat alle vier de fundamentele krachten in feite de manifestaties zijn van een enkele onderliggende (of verenigde) kracht die nog moet worden ontdekt. Net zoals elektriciteit, magnetisme en de zwakke kracht werden verenigd in de elektrozwakke interactie, werken ze om alle fundamentele krachten te verenigen.
De huidige kwantummechanische interpretatie van deze krachten is dat de deeltjes niet rechtstreeks op elkaar inwerken, maar eerder virtuele deeltjes vertonen die de feitelijke interacties bemiddelen. Alle krachten behalve zwaartekracht zijn geconsolideerd in dit "standaardmodel" van interactie.
De poging om de zwaartekracht te verenigen met de andere drie fundamentele krachten wordt genoemd kwantumzwaartekracht. Het postuleert de bestaan van een virtueel deeltje het graviton genoemd, dat het bemiddelende element zou zijn in de zwaartekrachtinteracties. Tot op heden zijn gravitonen niet gedetecteerd en zijn geen theorieën over kwantumzwaartekracht succesvol of universeel aangenomen.