На них тримається Всесвіт: як працюють чотири головні сили природи

Усі сили, з якими ми стикаємося щодня, можна звести до чотирьох категорій – гравітація, електромагнетизм, сильна сила та слабка. Нещодавно фізики знайшли можливі ознаки п'ятої фундаментальної сили природи, яку ми писали раніше. Настав час розібратися, як працюють основні.

Читайте «Хайтек» у

Фундамент Всесвіту

Які сили ви знаєте? Силу тяжкості, натягу нитки, стиснення пружини, зіткнення тіл, силу тертя, вибуху, опору повітря та середовища, поверхневого натягу рідини, сили Ван-дер-Ваальса — і на цьому список не закінчується. Проте всі ці сили похідні чотирьох фундаментальних. Їх також називають фундаментальними взаємодіями, і саме вони відповідають за всі процеси у Всесвіті. Якщо елементарні частинки можна порівняти зі шматочками мозаїки, взаємодії між ними це клей. В порядку від найслабших до найсильніших вчені позначили чотири взаємодії — гравітаційну, слабку, електромагнітну та сильну. Їх не можна звести до простіших, тому вони і називаються фундаментальними.

Варто врахувати, що на сьогодні достовірно відомо існування чотирьох фундаментальних взаємодій (не рахуючи поля Хіггса).

Сила тяжіння - гравітаційна взаємодія

Гравітація - це тяжіння між двома об'єктами, які мають масу або енергію. Кожен спостерігав цей фундаментальний вплив і завдяки ньому людина може сидіти, стояти чи лежати. Гравітаційна сила проявляється у падінні каменю з урвища; рух планети навколо зірки; морських припливах, за які відповідає Місяць.Гравітація є найбільш інтуїтивно зрозумілою та знайомою з фундаментальних сил, при цьому її не так уже й просто пояснити.

Ісаак Ньютон був першим, хто запропонував ідею гравітації, ймовірно, натхненну падінням яблука з дерева. Він описав її як буквальне тяжіння між двома об'єктами. Через сторіччя Альберт Ейнштейн у своїй загальній теорії відносності (ВТО) припустив, що гравітація - це не тяжіння чи сила. Навпаки, це наслідок того, що об'єкти викривляють простір-час. Великий об'єкт працює з простором-часом приблизно так само, як велика куля, поміщена в середину аркуша, впливає на цей матеріал, деформуючи його і змушуючи інші, дрібніші об'єкти на аркуші падати до середини.

Закон всесвітнього тяжіння

Хоча гравітація утримує разом планети, зірки, сонячні системи і навіть галактики, вона виявляється найслабшою з фундаментальних сил, особливо на молекулярному та атомному рівнях. Подумайте про це так: наскільки важко відірвати м'яч від землі? Чи підняти ногу? Чи стрибнути? Всі ці дії протидіють гравітації усієї Землі. А на молекулярному та атомному рівнях гравітація майже не впливає на інші фундаментальні сили.

Слабка сила та розпад частинок

Слабка сила, або слабка ядерна взаємодія, відповідає за розпад частинок. Це буквальне перетворення одного типу субатомних частинок на інший. Так, наприклад, нейтрино, що відхиляється від нейтрона, може перетворити нейтрон на протон, а нейтрино - на електрон.

Фізики описують цю взаємодію через обмін бозонами. Ці несучі силу частинки, а саме деякі їх види, відповідальні за слабку взаємодію, електромагнітну взаємодію та сильну взаємодію.У слабкому взаємодії бозони — це заряджені частки, звані W- і Z-бозонами. Коли субатомні частинки - протони, нейтрони та електрони - знаходяться на відстані 10 -18 метрів (0,1% діаметра протону) одна від одної, вони можуть обмінюватися цими бозонами. У результаті субатомні частинки розпадаються нові частки.

Слабка взаємодія має вирішальне значення для реакцій ядерного синтезу. Саме вони приводять у дію Сонце і виробляють енергію, необхідну більшості форм життя тут, Землі. До речі, тому археологи використовують вуглець-14 визначення віку древніх кісток, дерева та інших раніше живих артефактів. Вуглець-14 має шість протонів та вісім нейтронів. Один з цих нейтронів розпадається на протон з утворенням азоту-14, у якого сім протонів і сім нейтронів. Такий розпад відбувається з передбачуваною швидкістю, що дозволяє вченим визначити вік артефактів.

Електромагнітна сила

Електромагнітна сила (сила Лоренца) діє між зарядженими частинками - негативно зарядженими електронами та позитивно зарядженими протонами. Протилежні заряди притягуються один до одного, а однакові відштовхуються. Чим більший заряд, тим більша сила. І, як і гравітація, цю силу можна відчути.

Як випливає з назви, електромагнітна сила складається з двох частин: електричної сили та магнітної сили. Спочатку фізики описували ці сили окремо друг від друга, але потім зрозуміли, що є компонентами однієї.

Електричний компонент діє між зарядженими частинками незалежно від того, рухаються вони чи ні, створюючи поле. За допомогою нього заряди можуть впливати один на одного.Але як тільки вони починають рухатися, ці заряджені частинки виявляють і другу складову — магнітну силу. Під час руху вони створюють навколо себе магнітне поле. Тому, коли електрони проникають через провід, щоб, наприклад, зарядити комп'ютер чи телефон чи увімкнути телевізор, провід стає магнітним.

Електромагнітні сили передаються між зарядженими частинками через обмін безмасовими, що несуть силу бозонами — фотонами, які також є частинками світла. Однак фотони, що несуть силу, є іншим їх проявом. За даними університету Теннессі в Ноксвілл, вони віртуальні і не піддаються виявленню, хоча технічно є тими ж частинками, що і реальна версія фотонів, що виявляється.

Електромагнітна сила відповідальна за деякі з явищ, що найчастіше зустрічаються: тертя, пружність, нормальну силу і силу, що утримує тверді тіла разом у заданій формі. Вона навіть відповідає за опір, з яким стикаються, наприклад, птахи та літаки. Це відбувається через взаємодію заряджених (або нейтральних) частинок один з одним. Наприклад, нормальна сила, яка утримує книгу на столі (замість сили тяжіння, що притягує книгу до землі), є наслідком того, що електрони в атомах столу відштовхують електрони в атомах книги.

Сильна взаємодія — трильйони трильйони трильйонів сильніші за гравітацію.

Сильна ядерна сила, або сильна ядерна взаємодія, — найпотужніша з чотирьох фундаментальних сил природи. За даними HyperPhysics, це в 6 тисяч трильйонів трильйонів трильйонів (це 39 нулів після 6) разів сильніше за силу тяжкості.Справа в тому, що вона пов'язує фундаментальні частинки матерії разом, щоб сформувати більші частинки. Він утримує разом кварки, з яких складаються протони та нейтрони, а частина сильної взаємодії також утримує разом протони та нейтрони ядра атома.

Подібно до слабкої взаємодії, сильна взаємодія діє тільки тоді, коли субатомні частинки знаходяться дуже близько один до одного. Вони мають бути десь у межах 10-15 метрів один від одного (приблизно в межах діаметра протона).

Однак сильну взаємодію можна назвати «дивною». Справа в тому, що воно, на відміну від інших фундаментальних сил, стає слабшим у міру наближення субатомних частинок один до одного. Як пишуть дослідники Фермілаб, сильна взаємодія досягає максимальної «міцності», коли частинки знаходяться якнайдалі один від одного. Потрапляючи в зону дії, безмасові заряджені бозони – глюони – передають сильну взаємодію між кварками та утримують їх «склеєними». Крихітна частка сильної взаємодії - залишкова сильна взаємодія - діє між протонами і нейтронами. Протони в ядрі відштовхуються один від одного через їхній однаковий заряд, але залишкова сильна сила може подолати цей процес. Саме тому частинки залишаються пов'язаними у ядрі атома.

Велике об'єднання та теорія всього

Неврегульоване питання про чотири фундаментальні сили полягає в тому, чи справді вони є виявом єдиної великої сили Всесвіту. Якщо це так, кожен з них повинен мати змогу зливатися з іншими, і вже є докази того, що вони можуть.

Фізики Шелдон Глешоу та Стівен Вайнберг з Гарвардського університету з Абдусом Саламом з Імперського коледжу Лондона отримали Нобелівську премію з фізики у 1979 році за об'єднання електромагнітної сили зі слабкою силою для формування концепції електрослабкої сили. Фізики, які працюють над створенням теорією Великого об'єднання, прагнуть поєднати електрослабку взаємодію з сильною, щоб визначити електронно-ядерну. Раніше його пророкували моделі, проте воно ще не спостерігалося. Останній шматок головоломки зажадав би поєднання гравітації з електронно-ядерною силою для розробки теорії всього — основи, яка могла б пояснити весь Всесвіт.

Однак фізикам було досить складно поєднати мікроскопічний світ із макроскопічним. У великих та особливо астрономічних масштабах гравітація домінує і найкраще описується загальною теорією відносності Ейнштейна. Але на молекулярному, атомному чи субатомному рівнях квантова механіка найкраще описує світ природи. І досі ніхто не придумав хорошого способу об'єднати ці два світи.

Читати далі