Фундамент Вселенной

Какие силы вы знаете? Силу тяжести, натяжения нити, сжатия пружины, столкновения тел, силу трения, взрыва, сопротивления воздуха и среды, поверхностного натяжения жидкости, силы Ван-дер-Ваальса — и на этом список не заканчивается. Однако все эти силы — производные четырех фундаментальных. Их также называют фундаментальными взаимодействиями, и именно они отвечают за все процессы во Вселенной. Если элементарные частицы можно сравнить с кусочками мозаики, то взаимодействия между ними это клей. В порядке от самых слабых к самым сильным ученые обозначили четыре взаимодействия — гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное. Их нельзя свести к более простым, поэтому они и называются фундаментальными.

Стоит учесть, что на сегодня достоверно известно существование четырех фундаментальных взаимодействий (не считая поля Хиггса).

Сила тяжести — гравитационное взаимодействие

Гравитация — это притяжение между двумя объектами, которые обладают массой или энергией. Каждый наблюдал это фундаментальное воздействие и благодаря нему человек может сидеть, стоять или лежать. Гравитационная сила проявляется в падении камня с обрыва; движении планеты вокруг звезды; морских приливах, за которые отвечает Луна. Гравитация является наиболее интуитивно понятной и знакомой из фундаментальных сил, при этом ее не так уж просто объяснить.

Исаак Ньютон был первым, кто предложил идею гравитации, предположительно вдохновленную падением яблока с дерева. Он описал ее как буквальное притяжение между двумя объектами. Спустя столетия Альберт Эйнштейн в своей общей теории относительности (ОТО) предположил, что гравитация — это не притяжение или сила. Напротив, это следствие того, что объекты искривляют пространство-время. Большой объект работает с пространством-временем примерно так же, как большой шар, помещенный в середину листа, воздействует на этот материал, деформируя его и заставляя другие, более мелкие объекты на листе падать к середине.

Хотя гравитация удерживает вместе планеты, звезды, солнечные системы и даже галактики, она оказывается самой слабой из фундаментальных сил, особенно на молекулярном и атомном уровнях. Подумайте об этом так: насколько сложно оторвать мяч от земли? Или поднять ногу? Или прыгнуть? Все эти действия противодействуют гравитации всей Земли. А на молекулярном и атомном уровнях гравитация почти не влияет на другие фундаментальные силы.

Слабая сила и распад частиц

Слабая сила, или слабое ядерное взаимодействие, несет ответственность за распад частиц. Это буквальное превращение одного типа субатомных частиц в другой. Так, например, нейтрино, отклоняющееся от нейтрона, может превратить нейтрон в протон, а нейтрино — в электрон.

Физики описывают это взаимодействие через обмен бозонами. Эти несущие силу частицы, а именно некоторые их виды, ответственны за слабое взаимодействие, электромагнитное взаимодействие и сильное взаимодействие. В слабом взаимодействии бозоны — это заряженные частицы, называемые W- и Z-бозонами. Когда субатомные частицы — протоны, нейтроны и электроны — находятся на расстоянии 10⁻¹⁸метров (0,1% диаметра протона) друг от друга, они могут обмениваться этими бозонами. В результате субатомные частицы распадаются на новые частицы.

Слабое взаимодействие имеет решающее значение для реакций ядерного синтеза. Именно они приводят в действие Солнце и производят энергию, необходимую для большинства форм жизни здесь, на Земле. Кстати, поэтому археологи используют углерод-14 для определения возраста древних костей, дерева и других ранее живых артефактов. Углерод-14 имеет шесть протонов и восемь нейтронов. Один из этих нейтронов распадается на протон с образованием азота-14, у которого — семь протонов и семь нейтронов. Такой распад происходит с предсказуемой скоростью, что и позволяет ученым определить возраст артефактов.

Электромагнитная сила

Электромагнитная сила (сила Лоренца) действует между заряженными частицами — отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными протонами. Противоположные заряды притягиваются друг к другу, а одинаковые — отталкиваются. Чем больше заряд, тем больше сила. И, как и гравитация, эту силу можно почувствовать.

Как следует из названия, электромагнитная сила состоит из двух частей: электрической силы и магнитной силы. Сначала физики описывали эти силы отдельно друг от друга, но позже поняли, что они являются компонентами одной.

Электрический компонент действует между заряженными частицами независимо от того, движутся они или нет, создавая поле. С помощью него заряды могут влиять друг на друга. Но как только они приходят в движение, эти заряженные частицы проявляют и вторую составляющую — магнитную силу. При движении они создают вокруг себя магнитное поле. Поэтому, когда электроны проникают через провод, чтобы, например, зарядить компьютер или телефон или включить телевизор, провод становится магнитным.

Электромагнитные силы передаются между заряженными частицами посредством обмена безмассовыми, несущими силу бозонами — фотонами, которые также являются частицами света. Однако фотоны, несущие силу, представляют собой другое их проявление. По данным университета Теннесси в Ноксвилле, они виртуальны и не поддаются обнаружению, хотя технически являются теми же частицами, что и реальная и обнаруживаемая версия фотонов.

Электромагнитная сила ответственна за некоторые из наиболее часто встречающихся явлений: трение, упругость, нормальную силу и силу, удерживающую твердые тела вместе в заданной форме. Она даже отвечает за сопротивление, с которым сталкиваются, например, птицы и самолеты. Это происходит из-за взаимодействия заряженных (или нейтральных) частиц друг с другом. Например, нормальная сила, которая удерживает книгу на столе (вместо силы тяжести, притягивающей книгу к земле), является следствием того, что электроны в атомах стола отталкивают электроны в атомах книги.

Сильное взаимодействие — в триллионы триллионы триллионов сильнее гравитации

Сильная ядерная сила, или сильное ядерное взаимодействие — мощнейшее из четырех фундаментальных сил природы. По данным HyperPhysics, это в 6 тысяч триллионов триллионов триллионов (это 39 нулей после 6) раз сильнее силы тяжести. Дело в том, что она связывает фундаментальные частицы материи вместе, чтобы сформировать более крупные частицы. Он удерживает вместе кварки, из которых состоят протоны и нейтроны, а часть сильного взаимодействия также удерживает вместе протоны и нейтроны ядра атома.

Подобно слабому взаимодействию, сильное взаимодействие действует только тогда, когда субатомные частицы находятся очень близко друг к другу. Они должны быть где-то в пределах 10⁻¹⁵ метров друг от друга (примерно в пределах диаметра протона).

Однако сильное взаимодействие можно назвать «странным». Дело в том, что оно, в отличие от других фундаментальных сил, становится слабее по мере приближения субатомных частиц друг к другу. Как пишут исследователи Фермилаб, сильное взаимодействие достигает максимальной «прочности», когда частицы находятся как можно дальше друг от друга. Попадая в зону действия, безмассовые заряженные бозоны — глюоны — передают сильное взаимодействие между кварками и удерживают их «склеенными». Крошечная доля сильного взаимодействия — остаточное сильным взаимодействие — действует между протонами и нейтронами. Протоны в ядре отталкиваются друг от друга из-за их одинакового заряда, но остаточная сильная сила может преодолеть этот процесс. Именно поэтому частицы остаются связанными в ядре атома.

Великое объединение и теория всего

Неурегулированный вопрос о четырех фундаментальных силах заключается в том, действительно ли они являются проявлением единственной великой силы Вселенной. Если это так, каждый из них должен иметь возможность сливаться с другими, и уже есть доказательства того, что они могут.

Физики Шелдон Глэшоу и Стивен Вайнберг из Гарвардского университета с Абдусом Саламом из Имперского колледжа Лондона получили Нобелевскую премию по физике в 1979 году за объединение электромагнитной силы со слабой силой для формирования концепции электрослабой силы. Физики, работающие над созданием теорией Великого объединения, стремятся объединить электрослабое взаимодействие с сильным, чтобы определить электронно-ядерное. Ранее его предсказывали модели, однако оно еще не наблюдалось. Последний кусок головоломки потребовал бы объединения гравитации с электронно-ядерной силой для разработки теории всего — основы, которая могла бы объяснить всю Вселенную.

Однако физикам было довольно сложно объединить микроскопический мир с макроскопическим. В больших и особенно астрономических масштабах гравитация доминирует и лучше всего описывается общей теорией относительности Эйнштейна. Но на молекулярном, атомном или субатомном уровнях квантовая механика лучше всего описывает мир природы. И до сих пор никто не придумал хорошего способа объединить эти два мира.

Читать далее

Создана первая точная карта мира. Что не так со всеми остальными?

Уран получил статус самой странной планеты в Солнечной системе. Почему?

В НАСА рассказали, как они доставят образцы Марса на Землю