Справочная статья: Факты о четырех фундаментальных силах, которые описывают каждое взаимодействие в природе.
От прогулки по улице, до запуска ракеты в космос, до прикрепления магнита к вашему холодильнику, физические силы действуют вокруг нас. Но все силы, которые мы испытываем каждый день (и многие, которые мы не осознаем, но мы испытываем каждый день), можно свести к четырем основным силам:
Гравитация.
Слабое взаимодействие.
Электромагнетизм.
Сильное взаимодействие.
Их называют четырьмя фундаментальными силами природы и они управляют всем, что происходит во вселенной.
Гравитация
Гравитация -это притяжение между двумя объектами, имеющими массу или энергию, будь то падение камня с моста, планета, вращающаяся вокруг звезды или Луна, вызывающая океанские приливы. Гравитация является самой интуитивной и знакомой из фундаментальных сил, но она также была одной из самых сложных для объяснения.
Исаак Ньютон был первым, кто предложил идею гравитации, предположительно вдохновленным яблоком, падающим с дерева. Он описал гравитацию как буквальное притяжение между двумя объектами. Столетия спустя Альберт Эйнштейн в своей общей теории относительности предположил, что гравитация не является притяжением или силой. Напротив, это следствие искривления пространства-времени объектами. Большой объект воздействует на пространство-время 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 в середину.
Хотя гравитация удерживает планеты, звезды, солнечные системы и даже галактики вместе, она оказывается самой слабой из фундаментальных сил, особенно в молекулярном и атомном масштабах. Подумайте об этом так: как трудно поднять мяч с земли? Или поднять ногу? Или прыгать? Все эти действия противодействуют гравитации всей Земли. А на молекулярном и атомном уровнях гравитация почти не влияет на другие фундаментальные силы.
Слабое взаимодействие
Слабое взаимодействие, называемое также слабое ядерное взаимодействие, несет ответственность за распад частиц. Это буквальное изменение одного типа субатомной частицы в другую. Так, например, нейтрино, которое отклоняется от нейтрона, может превратить нейтрон в протон, в то время как нейтрино становится электроном.
Физики описывают это взаимодействие посредством обмена несущими силу частицами, называемыми бозонами. Конкретные виды бозонов ответственны за слабую силу, электромагнитную силу и сильное взаимодействие. В слабом взаимодействии бозоны - это заряженные частицы, называемые W и Z-бозонами. Когда субатомные частицы, такие как протоны, нейтроны и электроны, находятся в пределах 10^-18 метров, или 0,1% диаметра протона, друг от друга, они могут обмениваться этими бозонами. В результате субатомные частицы распадаются на новые частицы
Электромагнитная сила
Электромагнитная сила, также называемая силой Лоренца, действует между заряженными частицами, такими как отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные протоны. Противоположные заряды притягивают друг друга, в то время как подобные заряды отталкиваются. Чем больше заряд, тем больше сила. И так же, как гравитация, эта сила может ощущаться с бесконечного расстояния (хотя сила будет очень маленькой на большом расстоянии).
Как видно из названия, электромагнитная сила состоит из двух частей: электрической силы и магнитной силы. Сначала физики описывали эти силы как отдельные друг от друга, но позже исследователи поняли, что эти они являются компонентами одной и той же силы.
Электрический компонент действует между заряженными частицами независимо от того, движутся они или неподвижны, создавая поле, с помощью которого заряды могут влиять друг на друга. Но как только эти заряженные частицы приходят в движение, они начинают проявлять второй компонент-магнитную силу. Частицы создают магнитное поле вокруг себя при движении. Поэтому, когда электроны проходят через провод, чтобы зарядить компьютер или телефон или включить телевизор, то провод становится магнитным.
Электромагнитные силы передаются между заряженными частицами посредством обмена безмассовыми несущими силу бозонами, называемыми фотонами, которые также являются компонентами света. Однако фотоны, несущие силу, которыми обмениваются заряженные частицы, являются другим проявлением фотонов. Они являются виртуальными и необнаруживаемыми, хотя технически они представляют собой те же частицы, что и реальные и обнаруживаемые.
Электромагнитная сила ответственна за некоторые наиболее часто встречающиеся явления: трение, упругость, сила, удерживающая твердые тела в заданной форме. Она даже ответственна за сопротивление, которое птицы, самолеты испытывают во время полета. Эти действия могут происходить из-за того, что заряженные (или нейтрализованные) частицы взаимодействуют друг с другом. Например, электромагнитная сила, удерживающая книгу на столе (вместе с гравитацией, тянущей книгу к земле), является следствием электронов атомов стола, отталкивающих электроны атомов книги.
Сильное взаимодействие
Сильная ядерная сила, называемая также сильное ядерное взаимодействие, является самым сильным из четырех фундаментальных сил природы. Она в 6 тысяч триллионов триллионов триллионов (это 39 нулей после 6!) раз сильнее гравитации. И это потому, что она связывает фундаментальные частицы материи вместе, чтобы сформировать более крупные частицы. Она удерживает вместе кварки, которые составляют протоны и нейтроны, и часть сильного взаимодействия также удерживает протоны и нейтроны ядра атома вместе.
Подобно слабой силе, сильная сила действует только тогда, когда субатомные частицы находятся очень близко друг к другу. Они должны находиться где-то в пределах 10^-15 метров друг от друга, или примерно в пределах диаметра протона.
Сильное взаимодействие странное, потому что, в отличие от других фундаментальных сил, оно становится слабее по мере сближения субатомных частиц. Оно фактически достигает максимальной силы, когда частицы находятся дальше всего друг от друга. Оказавшись в пределах досягаемости, безмассовые заряженные бозоны, называемые глюонами, передают сильную силу между кварками и удерживают их вместе. Крошечная часть сильного взаимодействия, называемого остаточным сильным взаимодействием, действует между протонами и нейтронами. Протоны в ядре отталкиваются друг от друга из-за их одинакового заряда, но остаточная сила может преодолеть это отталкивание, поэтому частицы остаются связанными в ядре атома.
Объединяющая теория
Нерешенный вопрос о четырех фундаментальных силах заключается в том, являются ли они на самом деле проявлениями только одной великой силы Вселенной. Если так, то каждый из них должен иметь возможность слиться с другими, и уже есть доказательства того, что они могут.
Физики Абдус Салам, Стивен Вайнберг и Шелдон Глэшоу получили Нобелевскую премию по физике в 1979 году за объединение электромагнитной силы со слабой силой для формирования концепции электрослабой силы. Физики, работающие над тем, чтобы найти так называемую великую объединенную теорию, стремятся объединить электрослабую силу с сильной силой, чтобы определить электронно-ядерную силу, которую предсказывали модели, но исследователи еще не наблюдали. Затем для окончательной части головоломки потребуется объединить гравитацию с электроядерной силой, чтобы разработать так называемую теорию всего, теоретическую структуру, которая могла бы объяснить всю вселенную.
Физики, однако, обнаружили, что довольно трудно 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 естественный мир. И до сих пор никто не придумал хороший способ объединить эти два мира.ногие физики стремятся объединить фундаментальные силы в рамках единой единой теории - теоретической основы, которая могла бы объяснить всю вселенную.
Физики, изучающие квантовую гравитацию, стремятся описать силу в терминах квантового мира, который может помочь в слиянии. Основополагающим для такого подхода было бы открытие гравитонов, теоретического бозона (несущий силу) гравитационной силы. Гравитация является единственной фундаментальной силой, которую физики в настоящее время могут описать, не используя несущие силу частицы. Но поскольку для описания всех других фундаментальных сил требуются несущие силу частицы, ученые ожидают, что гравитоны должны существовать на субатомном уровне - исследователи просто еще не обнаружили эти частицы.
Еще больше усложняет историю невидимое царство темной материи и темной энергии, которые составляют примерно 95% Вселенной. Неясно, состоит ли темная материя и энергия из одной частицы или из целого набора частиц, которые имеют свои собственные силы и бозоны.
Основной частицей-посланником, представляющей текущий интерес, является теоретический темный фотон, который будет опосредовать взаимодействия между видимой и невидимой Вселенной. Если бы темные фотоны существовали, они были бы ключом к обнаружению невидимого мира темной материи и могли бы привести к открытию пятой фундаментальной силы. До сих пор, однако, нет никаких доказательств того, что темные фотоны существуют, и некоторые исследования предложили убедительные доказательства того, что эти частицы не существуют.