Одним из величайших достижений физики за последние два тысячелетия стало выделение и определение четырех видов взаимодействия, которые правят вселенной. Все они могут быть описаны на языке полей, которым мы обязаны Фарадею. К несчастью, однако, ни один из четырех видов не обладает в полной мере свойствами силовых полей, описанных в большинстве фантастических произведений. Перечислим эти виды взаимодействия. Пайлекс цена .
1. Гравитация. Безмолвная сила, не позволяющая нашим ногам оторваться от опоры. Она не дает рассыпаться Земле и звездам, помогает сохранить целостность Солнечной системы и Галактики. Без гравитации вращение планеты вышвырнуло бы нас с Земли в космос со скоростью 1000 миль в час. Проблема в том, что свойства гравитации в точности противоположны свойствам фантастических силовых полей. Гравитация - сила притяжения, а не отталкивания; она чрезвычайно слаба - относительно, разумеется; она работает на громадных, астрономических расстояниях. Другими словами, являет собой почти полную противоположность плоскому, тонкому, непроницаемому барьеру, который можно встретить едва ли не в любом фантастическом романе или фильме. К примеру, перышко к полу притягивает целая планета - Земля, но мы легко можем преодолеть притяжение Земли и поднять перышко одним пальцем. Воздействие одного нашего пальца способно преодолеть силу притяжения целой планеты, которая весит больше шести триллионов килограммов.
2. Электромагнетизм (ЭМ). Сила, освещающая наши города. Лазеры, радио, телевидение, современная электроника, компьютеры, Интернет, электричество, магнетизм - все это следствия проявления электромагнитного взаимодействия. Возможно, это самая полезная сила, которую удалось обуздать человечеству на протяжении всей его истории. В отличие от гравитации она может работать и на притяжение, и на отталкивание. Однако и она не годится на роль силового поля по нескольким причинам. Во-первых, ее можно легко нейтрализовать. К примеру, пластик или любой другой непроводящий материал без труда проникнет в мощное электрическое или магнитное поле. Кусок пластика, брошенный в магнитное поле, свободно пролетит его насквозь. Во-вторых, электромагнетизм действует на больших расстояниях, его непросто сосредоточить в плоскости. Законы ЭМ-взаимодействия описываются уравнениями Джеймса Клерка Максвелла, и похоже, силовые поля не являются решением этих уравнений.
3 и 4. Сильные и слабые ядерные взаимодействия. Слабое взаимодействие - это сила радиоактивного распада, та, что разогревает радиоактивное ядро Земли. Эта сила стоит за извержениями вулканов, землетрясениями и дрейфом континентальных плит. Сильное взаимодействие не дает рассыпаться ядрам атомов; оно обеспечивает энергией солнце и звезды и отвечает за освещение Вселенной. Проблема в том, что ядерное взаимодействие работает только на очень маленьких расстояниях, в основном в пределах атомного ядра. Оно так прочно связано со свойствами самого ядра, что управлять им чрезвычайно трудно. В настоящее время нам известно только два способа влиять на это взаимодействие: мы можем разбить субатомную частицу на части в ускорителе или взорвать атомную бомбу.
Хотя защитные поля в научной фантастике и не подчиняются известным законам физики, все же существуют лазейки, которые в будущем, вероятно, сделают создание силового поля возможным. Во-первых, существует, возможно, пятый вид фундаментального взаимодействия, который никому до сих пор не удалось увидеть в лаборатории. Может оказаться, к примеру, что это взаимодействие работает только на расстояниях от нескольких дюймов до фута - а не на астрономических расстояниях. (Правда, первые попытки обнаружить пятый вид взаимодействия дали отрицательные результаты.)
Во-вторых, нам, возможно, удастся заставить плазму имитировать некоторые свойства силового поля. Плазма - это «четвертое состояние вещества». Три первые, привычные нам состояния вещества, - твердое, жидкое и газообразное; тем не менее самой распространенной формой вещества во вселенной является плазма: газ, состоящий из ионизированных атомов. Атомы в плазме не связаны между собой и лишены электронов, а потому обладают электрическим зарядом. Ими можно без труда управлять при помощи электрического и магнитного полей.
Видимое вещество вселенной существует по большей части в форме различного рода плазмы; из нее образованы солнце, звезды и межзвездный газ. В обычной жизни мы почти не сталкиваемся с плазмой, потому что на Земле это явление редкое; тем не менее плазму можно увидеть. Для этого достаточно взглянуть на молнию, солнце или экран плазменного телевизора.
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 вовсе не заканчивается. Но все эти силы — производные четырёх фундаментальных! О них и пойдёт речь.
Четыре силы
Основой основ физических законов являются четыре фундаментальных взаимодействия , которые отвечают за все процессы во Вселенной. Если элементарные частицы можно сравнить с кирпичиками бытия, то взаимодействия — это цементный раствор. Сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное — именно в таком порядке, от сильного к слабому, рассматриваются взаимодействия. Их нельзя свести к более простым — поэтому они и называются фундаментальными.
Прежде чем приступать к описанию сил, необходимо объяснить, что подразумевается под словом взаимодействие. Физики рассматривают его как результат обмена некими посредниками, их принято называть переносчиками взаимодействия .
Начнём с самого интенсивного. Сильное взаимодействие было открыто в 30‑х годах прошлого столетия в период активного исследования атома. Оказалось, что целостность и стабильность его ядра как раз и обеспечивается чрезвычайно сильным взаимодействием нуклонов между собой.
Нуклоны (от лат. nucleus — ядро) — общее название для протонов и нейтронов, главных компонентов ядра атома. С точки зрения сильного взаимодействия эти частицы неразличимы. Нейтрон тяжелее протона на 0,13% — это оказалось достаточно, чтобы стать единственной из имеющих массу покоя элементарных частиц, для которой наблюдалось гравитационное взаимодействие.
Содержимое ядер притягивается друг к другу за счёт особых квантов — π-мезонов, являющихся «официальными» переносчиками сильного взаимодействия. Такая ядерная сила в 1038 раз интенсивнее самого слабого взаимодействия — гравитационного. Если бы сильное взаимодействие вдруг исчезло, атомы во Вселенной моментально распались бы. За ними молекулы, далее вещество — вся окружающая нас действительность перестала бы существовать, за исключением элементарных частиц. Интересной особенностью их «взаимоотношений» является близкодействие: положительно заряженные частицы, протоны, притягиваются друг к другу только при непосредственном соприкосновении.
Если протоны удалены на некоторое расстояние друг от друга, возникает электромагнитное взаимодействие, при котором одноимённо заряженные частицы отталкиваются, а разноимённо заряженные — притягиваются. В случае незаряженных частиц эта сила не возникает — вспомним знаменитый закон Кулона о неподвижных точечных электрических зарядах. Переносчиками электромагнитных сил являются фотоны, обеспечивающие помимо прочего перенос энергии Солнца к нашей планете. Исключение этой силы грозит Земле полным замерзанием. Электромагнитное взаимодействие сильнее гравитационного в 1035 раз, то есть всего в 100 раз слабее ядерного.
Природа предусмотрела ещё одну фундаментальную силу, отличающуюся исчезающе малой интенсивностью и очень незначительным радиусом действия (меньше атомного ядра). Это слабое взаимодействие — его переносчиками выступают особые заряженные и нейтральные бозоны. Сферой ответственности слабых сил является прежде всего бета-распад нейтрона, сопровождающийся образованием протона, электрона и (анти-)нейтрино. Подобные превращения активно идут на Солнце, что и определяет важность этого фундаментального взаимодействия для нас с вами.
(Не)изведанная гравитация
Все описанные силы достаточно подробно изучены и органично встроены в физическую картину мира. Однако последняя сила, гравитационная , отличается столь малой интенсивностью, что о её сущности до сих пор приходится гадать.
Парадоксальность гравитационного взаимодействия в том, что мы его ежесекундно ощущаем, но никак не можем зафиксировать переносчика. Есть лишь предположение о существовании гипотетического кванта гравитона, обладающего скоростью света. Он способен к интерференции и дифракции, но обделён зарядом. Учёные полагают, что, когда одна частица испускает гравитон, изменяется характер её движения, — аналогичная ситуация складывается с частицей, принимающей квант. Уровень развития техники пока не позволяет нам «увидеть» гравитон и более подробно изучить его свойства. Интенсивность гравитации в 1025 раз меньше слабого взаимодействия.
Как же так, скажете вы, сила притяжения совсем не кажется слабой! В этом и заключаются уникальные свойства фундаментального взаимодействия № 4. Например, универсальность — любое тело с любой массой создаёт в пространстве гравитационное поле, способное проникать сквозь любое препятствие. Причём сила гравитации увеличивается с массой объекта — свойство, характерное только для этого взаимодействия.
Вот почему гигантская по сравнению с человеком Земля создаёт вокруг себя гравитационное поле, удерживающее на поверхности воздух, воду, горные породы и, конечно, живую оболочку. Если одномоментно отменить гравитацию, скорость, с которой мы с вами отправимся в космос, составит 500 м/с. Наравне с электромагнитным взаимодействием гравитация обладает большой дальностью действия. Поэтому её роль в системе движущихся тел во Вселенной огромна. Даже между двумя людьми, находящимися на значительном расстоянии друг от друга, существует микроскопическое гравитационное притяжение.
Гравитационная пушка — вымышленное оружие, создающее локальное гравитационное поле. Оружие позволяет притягивать, поднимать и кидать предметы за счёт силы, генерируемой полем. Впервые эту концепцию использовали в компьютерной игре Half-life 2.
Представьте себе крутящийся волчок, вертикально закреплённый в центре кольцевой рамы, свободно вращающейся вокруг горизонтальной оси. Эта рама — назовём её внутренней — в свою очередь закреплена на внешней кольцевой раме, также свободно вращающейся в горизонтальной плоскости. Конструкция вокруг волчка получила название карданова подвеса , а всё вместе это гироскоп .
В состоянии покоя волчок в гироскопе мирно вращается в вертикальном положении, но как только внешние силы — например, ускорение — пытаются повернуть ось вращения волчка, он разворачивается перпендикулярно этому воздействию. Как бы мы ни старались повернуть волчок в гироскопе, он всё равно будет вращаться в вертикальном положении. Самые совершенные гироскопы реагируют даже на вращение Земли, что впервые продемонстрировал француз Жан Бернар Фуко в 1851 году. Если оснастить гироскоп датчиком, считывающим положение волчка относительно рамы, мы получим точное навигационное устройство, позволяющее отслеживать движение объекта в пространстве — например, самолёта.
Гравитационные эффекты
Гравитация может сыграть злую шутку с крупными, гораздо массивнее Земли, объектами в космосе — например, звёздами на поздних стадиях эволюции. Сила притяжения сжимает звезду и в определённый момент пересиливает внутреннее давление. Когда радиус такого объекта становится меньше гравитационного, происходит коллапс , и звезда гаснет. От неё не исходит больше никакая информация, даже световые лучи не могут преодолеть гигантскую силу притяжения. Так рождается чёрная дыра.
У планет, объектов значительно более миниатюрных, свои гравитационные особенности. Так, Земля за счёт собственной массы искривляет пространство-время и закручивает его своим вращением! Эти явления получили название геодезической прецессии и гравитомагнитного эффекта соответственно.
Что такое геодезическая прецессия? Представим, что по орбите нашей планеты движется объект, на поверхности которого (в невесомости) с большой скоростью вращается волчок. Его ось будет отклоняться в направлении движения с интенсивностью 6,6 угловой секунды в год. Земля искривляет своей массой окружающее пространство-время, создавая в нём подобие выемки.
Гравитомагнитный эффект (эффект Лензе — Тирринга) хорошо иллюстрирует вращение палочки в густом мёде: она увлекает за собой тягучую сладкую массу, образуя спиралевидное завихрение. Так и Земля вращением закручивает вокруг своей оси «медовое» пространство-время. А фиксируется это опять-таки осью волчка, отклоняющегося в сторону вращения Земли на микроскопические 0,04 угловой секунды в год.
Наша планета своей гравитацией оказывает влияние на время и пространство. Это утверждение долгое время оставалось лишь гипотезой Эйнштейна и его последователей, пока в 2004 году американцы не запустили спутник Gravity Probe-B. Аппарат вращался по полярной орбите Земли и был оснащён точнейшими в мире гироскопами — усложнёнными аналогами волчков. О сложности этих технических шедевров говорит тот факт, что неровности на шариках гироскопов не превышали двух-трёх атомов. Если увеличить эти миниатюрные сферы до размеров Земли, то высота самой большой неровности не превысит трёх метров! Такие ухищрения понадобились, чтобы экспериментально установить то самое искривление пространства-времени. И после 17 месяцев работы на орбите оборудование зафиксировало смещение осей вращения сразу четырёх супергироскопов!
В ходе эксперимента Gravity Probe-B были доказаны два эффекта Общей теории относительности: искривление пространства-времени (геодезическая прецессия) и появление дополнительного ускорения вблизи массивных тел (гравитомагнитный эффект)
У гравитации есть масса других, гораздо более явных эффектов. Например, в нашем организме нет ни одного органа, который бы не был адаптирован к земному притяжению.
Именно поэтому человеку так непривычно и даже опасно длительное время находиться в состоянии невесомости: кровь перераспределяется по организму таким образом, что оказывает чрезмерное давление на сосуды головного мозга, а кости со временем отказываются усваивать соли кальция и становятся ломкими, как тростник. Только постоянными физическими нагрузками человек может частично оградить себя от последствий невесомости.
Гравитационное поле Луны оказывает влияние на Землю и её обитателей — о приливах-отливах знают все. За счёт центробежной силы Луна отдаляется от нас на 4 см в год, и интенсивность приливов неумолимо снижается. В доисторический период Луна была гораздо ближе к Земле, и, соответственно, приливы были значительными. Возможно, это стало главным фактором, предопределившим выход живых организмов на сушу.
Несмотря на то что мы до сих пор не знаем, какая частица отвечает за гравитацию, мы можем её измерить! Для этого используется специальный прибор — гравиметр , с которым активно работают геологи в поисках полезных ископаемых.
В толще земной поверхности горные породы имеют разную плотность, а следовательно, и сила гравитации у них будет различаться. Так можно определить месторождения лёгких углеводородов (нефти и газа), а также плотные породы металлических руд. Измеряют силу притяжения, фиксируя малейшие изменения скорости свободного падения тела с известной массой или хода маятника. Для этого даже ввели специальную единицу измерения — Гал (Gal) в честь Галилео Галилея , который первым в истории определил силу тяжести, замерив путь свободно падающего тела.
Многолетние исследования силы притяжения Земли из космоса позволили создать карту гравитационных аномалий нашей планеты. Резкое увеличение силы гравитации на отдельном участке суши может быть предвестником землетрясения или извержения вулкана.
Исследование фундаментальных взаимодействий пока только набирает обороты. Нельзя сказать с уверенностью, что сил всего четыре, — их может быть и пять, и десять. Учёные пытаются собрать все взаимодействия под «крышей» одной модели, однако до её создания ещё ох как далеко. А главным центром притяжения становится гипотетический гравитон. Скептики утверждают, что человек никогда не сможет зафиксировать этот квант, так как его интенсивность слишком мала, но оптимисты верят в будущее технологий и методов физики. Поживём — увидим.
Образование протогалактических облаков менее около 1 млрд лет после Большого Взрыва
Мы хорошо знаем силу гравитации, которая держит нас на земле и затрудняет полёт на Луну. И электромагнетизм, благодаря которому мы не распадаемся на отдельные атомы и можем включать в розетку ноутбуки. Физик рассказывает о ещё двух силах, делающих Вселенную именно такой, какая она есть.
Со школьной скамьи все мы хорошо знаем закон Всемирного тяготения и закон Кулона. Первый объясняет нам, как взаимодействуют (притягиваются) друг с другом массивные объекты типа звёзд и планет. Другой же показывает (вспомним опыт с эбонитовой палочкой), какие силы притяжения и отталкивания возникают между электрически заряженными предметами.
Но исчерпывается ли этим всё множество сил и взаимодействий, которые определяют облик наблюдаемой нами Вселенной?
Современная физика говорит о том, что во Вселенной существуют четыре типа основных (фундаментальных) взаимодействий между частицами. О двух из них я уже сказал выше и с ними, казалось бы, всё просто, т. к. проявления их постоянно окружают нас в повседневной жизни: это гравитационное и электромагнитное взаимодействие.
Так, за счёт действия первого мы крепко стоим на земле и не улетаем в открытый космос. Второе же, например, обеспечивает притяжение электрона к протону в атомах, из которых все мы состоим и, в конечном счёте, притяжение атомов друг к другу (т. е. оно ответственно за образование молекул, биологических тканей и т. д.). Так что именно из-за сил электромагнитного взаимодействия, например, оказывается, что снести голову надоевшему соседу не так уж просто, и с этой целью нам приходится прибегать к помощи топора разнообразных подручных средств.
Но есть ещё, так называемое, сильное взаимодействие. За что ответственно оно? Не удивлял ли вас в школе тот факт, что, несмотря на утверждение закона Кулона о том, что два положительных заряда должны отталкиваться друг от друга (лишь противоположные притягиваются), ядра многих атомов преспокойно существуют себе. А ведь состоят они, как вы помните, из протонов и нейтронов. Нейтроны - они на то и нейтроны, что нейтральны и электрического заряда не имеют, а вот протоны заряжены положительно. И что же, спрашивается, за силы, могут удержать вместе (на расстоянии в одну триллионную долю микрона - что в тысячу раз меньше самого атома!) несколько протонов, которые, по закону Кулона, должны со страшной энергией отталкиваться друг от друга?
Сильное взаимодействие - обеспечивает притяжение между частицами в ядре; электростатическое - отталкивание
Вот эту поистине титаническую задачу по преодолению Кулоновых сил берёт на себя сильное взаимодействие. Так что, ни много, ни мало, за счёт него протоны (как, впрочем, и нейтроны) в ядре всё же притягиваются друг к другу. Кстати, сами протоны и нейтроны также состоят из ещё более «элементарных» частиц - кварков. Так вот кварки также взаимодействуют и притягиваются друг к другу «сильно». Но, к счастью, в отличие от того же гравитационного взаимодействия, которое работает и на космических расстояниях во многие миллиарды километров, сильное взаимодействие является, как говорят, короткодействующим. Это означает, что поле «сильного притяжения», окружающее один протон работает лишь на крохотных масштабах, сопоставимых, собственно, с размерами ядра.
Поэтому, например, протон, сидящий в ядре одного из атомов, не может, наплевав на Кулоновское отталкивание, взять, да «сильно» притянуть к себе протон из соседнего атома. В противном случае, вся протонная и нейтронная материя во Вселенной смогла бы «притянуться» к общему центру масс и образовать одно огромное «суперядро». Нечто похожее, впрочем, происходит в толще нейтронных звёзд, в одну из которых, как можно ожидать, однажды (лет эдак миллиардов через пять) сожмётся наше Солнце.
Итак, четвёртое и последнее из фундаментальных взаимодействий в природе - это, так называемое, слабое взаимодействие. Не даром оно так названо: мало того, что работает оно даже на ещё более коротких, чем сильное взаимодействие, расстояниях, так ещё и мощи оно весьма малой. Так что, в отличие своего сильного «собрата», Кулоновского отталкивания, оно никак не перетянет.
Ярким примером, демонстрирующим слабость слабых взаимодействий, являются частицы под называнием нейтрино (можно перевести как «маленький нейтрон», «нейтрончик»). Эти частицы, по природе своей, в сильных взаимодействиях не участвующие, электрического заряда не имеющие (оттого не восприимчивые и к электромагнитным взаимодействиям), массой обладающие ничтожной даже по меркам микромира и, следовательно, практически нечувствительные к гравитации, по факту, способны лишь к слабым взаимодействиям.
Чо? Нейтрино сквозь меня проходят?!
При этом, во Вселенной нейтрино нарождается в количествах поистине колоссальных, и огромный поток этих частиц постоянно пронизывает толщу Земли. Например, в объёме спичечного коробка, в среднем, в каждый момент времени находится штук 20 нейтрино. Таким образом, можно представить себе, огромную бочку с водой-детектор, о которой я писал в своём прошлом посте, и то неимоверное количество нейтрино, которое в каждый момент времени пролетает через неё. Так вот учёным, работающим на этом детекторе обычно приходится месяцами ждать такого счастливого случая, чтоб хотя бы один нейтрино «почувствовал» их бочку и своими слабыми силами провзаимодействовал в ней.
Однако ж, даже несмотря на слабость свою, это взаимодействие играет очень немаловажную роль во Вселенной и в жизни человека. Так, именно оно оказывается ответственным за один из видов радиоактивности - именно, бета-распад, являющийся вторым (после гамма-радиоактивности) по степени опасности своего воздействия на живые организмы. И, что не менее важно, без слабого взаимодействия невозможно было бы протекание термоядерных реакций, протекающих в недрах многих звёзд и ответственных за выделение энергии светила.
Такая вот четвёрка всадников Апокалипсиса фундаментальных взаимодействий правит во Вселенной бал: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.
Взаимодействие – основная причина движения материи, поэтому взаимодействие присуще всем материальным объектам независимо от их природного происхождения и системной организации. Особенности различных взаимодействий определяют условия существования и специфику свойств материальных объектов. Всего известно четыре вида взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое.
Гравитационное взаимодействие первым из известных фундаментальных взаимодействий стало предметом исследования ученых. Оно проявляется во взаимном притяжении любых материальных объектов, имеющих массу, передается посредством гравитационного поля и определяется законом всемирного тяготения, который был сформулирован И. Ньютоном
Закон всемирного тяготения описывает падение материальных тел в поле Земли, движение планет Солнечной системы, звезд и т. п. По мере увеличения массы вещества гравитационные взаимодействия возрастают. Гравитационное взаимодействие – наиболее слабое из всех известных современной науке взаимодействий. Тем не менее гравитационные взаимодействия определяют строение всей Вселенной: образование всех космических систем; существование планет, звезд и галактик. Важная роль гравитационного взаимодействия определяется его универсальностью: все тела, частицы и поля участвуют в нем.
Переносчиками гравитационного взаимодействия являются гравитоны – кванты гравитационного поля.
Электромагнитное взаимодействие также является универсальным и существует между любыми телами в микро-, макро– и мегамире. Электромагнитное взаимодействие обусловлено электрическими зарядами и передается с помощью электрического и магнитного полей. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное – при движении электрических зарядов. Электромагнитное взаимодействие описывается: законом Кулона, законом Ампера и др. и в обобщенном виде – электромагнитной теорией Максвелла, связывающей электрическое и магнитное поля. Благодаря электромагнитному взаимодействию возникают атомы, молекулы и происходят химические реакции. Химические реакции представляют собой проявление электромагнитных взаимодействий и являются результатами перераспределения связей между атомами в молекулах, а также количества и состава атомов в молекулах разных веществ. Различные агрегатные состояния вещества, силы упругости, трения и т. д. определяются электромагнитным взаимодействием. Переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны – кванты электромагнитного поля с нулевой массой покоя.
Внутри атомного ядра проявляются сильные и слабые взаимодействия. Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре. Данное взаимодействие определяется ядерными силами, обладающими зарядовой независимостью, короткодействием, насыщением и другими свойствами. Сильное взаимодействие удерживает нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре и кварки внутри нуклонов и отвечает за стабильность атомных ядер. С помощью сильного взаимодействия ученые объяснили, почему протоны ядра атома не разлетаются под действием электромагнитных сил отталкивания. Сильное взаимодействие передается глюонами – частицами, «склеивающими» кварки, которые входят в состав протонов, нейтронов и других частиц.
Слабое взаимодействие также действует только в микромире. В этом взаимодействии участвуют все элементарные частицы, кроме фотона. Оно обусловливает большинство распадов элементарных частиц, поэтому его открытие произошло вслед за открытием радиоактивности. Первая теория слабого взаимодействия была создана в 1934 г. Э. Ферми и развита в 1950-е гг. М. Гелл-Маном, Р. Фейнманом и другими учеными. Переносчиками слабого взаимодействия принято считать частицы с массой в 100 раз больше массы протонов – промежуточные векторные бозоны.
Характеристики фундаментальных взаимодействий представлены в табл. 2.1.
Таблица 2.1
Характеристики фундаментальных взаимодействий
Из таблицы видно, что гравитационное взаимодействие гораздо слабее других взаимодействий. Радиус его действия неограничен. Оно не играет существенной роли в микропроцессах и в то же время является основным для объектов с большими массами. Электромагнитное взаимодействие сильнее гравитационного, хотя радиус его действия также неограничен. Сильное и слабое взаимодействия имеют очень ограниченный радиус действия.
Одна из важнейших задач современного естествознания – создание единой теории фундаментальных взаимодействий, объединяющей различные виды взаимодействия. Создание подобной теории означало бы также построение единой теории элементарных частиц.
» Что такое фундаментальные взаимодействия?
Сегодня мне хочется рассказать Вам о фундаментальных силах или взаимодействиях. Вы узнаете, что это вообще такое, сколько их и зачем они нужны.
Ну что, поехали!
Что такое фундаментальные силы?
В нашей Вселенной существует множество физических сил и взаимодействий. Например, сила трения, ядерные реакции и химические связи. Но все они вторичны, кроме неких четырёх взаимодействий. Их и называют "фундаментальными". Они являются типами взаимодействия элементарных частиц и определяют все остальные силы в природе.
В самом начале жизни Вселенной было одно фундаментальное взаимодействие. Но так продлилось недолго. Уже к концу первой секунды после единая фундаментальная сила разделилась на четыре отдельных взаимодействия: сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное. Рассмотрим их всех.
Сильное взаимодействие.
Вы никогда не задумывались, почему атомы большинства химических элементов стабильны? Казалось бы, что тут сложного. Однако, в 30-х годах прошлого века, поиск ответа на данный вопрос заставил учёных попотеть.
Из школьного курса физики и химии Вам наверняка известно, что атом состоит из двух частей: ядра и вращающихся вокруг него электронов. Ядро, в свою очередь, состоит из "нуклонов" - протонов и нейтронов.
Атом электрически нейтрален. Но в его ядре есть только положительно и нейтрально заряженные частицы - протоны и нейтроны. Общеизвестно, что притягиваться друг к другу могут только разноимённо заряженные тела - иными словами, "плюс" к "минусу". Следовательно, протоны и нейтроны должны отталкиваться друг от друга. Однако в реальности атомы ядра таки существуют и в ус не дуют. В чём же причина?
"Может быть, всё дело в гравитации?" - подумали тогда физики. Оказалось, что нет. Гравитационное взаимодействие, будучи самым слабым из всех, не могло бы противостоять электромагнитным силам.
Значит, существует некая достаточно мощная сила, связывающая нуклоны в стабильные атомы ядра. Её и называют "сильным взаимодействием". Впоследствии выяснилось, что оно также связывает кварки (представителей одной из групп фундаментальных частиц) в составные частицы под названием "адроны" - например, те же протоны и нейтроны.
В сильном взаимодействии участвуют кварки, адроны и глюоны. Глюоны не обладают массой и являются переносчиками сильного взаимодействия. Ими обмениваются кварки и тем самым реализуют эту фундаментальную силу.
Сильное ядерное взаимодействие является самым мощным в природе. Оно в тысячу раз сильнее электромагнитного и в 100.000 раз - "слабого ядерного", а гравитацию превосходит по мощи аж в 10 39 (10 в 39 степени) раз.
Сильное взаимодействие жестокое - из-за него учёные не могут наблюдать кварки в свободном состоянии. Эти бедные частицы навеки заключены в адроны. Оказалось, что чем дальше кварки друг от друга, тем сильнее они притягиваются. Поэтому данные частицы никогда не наблюдаются одиноко блуждающими по пространству и существуют только в адронах.
Электромагнетизм.
В электромагнитном взаимодействии участвуют все тела и частицы, которые обладают электрическим зарядом. Однако, есть и исключения - могут участвовать нейтральные частицы, но состоящие из заряженных. Ярким примером является нейтрон. Он обладает нейтральным зарядом, но состоит из заряженных кварков.
Электромагнитное взаимодействие осуществляется между заряженными частицами посредством электромагнитного поля. Его квантом (фундаментальной частицей) является фотон - по совместительству, тролль всея мироздания.
Электромагнетизм и заключается в том, что заряженные частицы взаимодействуют друг с другом, обмениваясь фотонами.
Электромагнитные силы появляются в виде сил и притяжения (тело с положительным зарядом притягивается к отрицательно заряженному), и отталкивания.
Данное взаимодействие играет очень важную роль в природе за счёт своего взаимодействия. Оно определяет структуру молекул (химические связи) и электронных оболочек в атомах. Поэтому к электромагнетизму сводится очень много вещей.
Большинство привычных физических сил, которые рассматривает "классическая механика" Ньютона - сила трения, упругости, поверхностного натяжения и т.д. - имеют электромагнитную природу.
Электромагнитные силы также определяют большую часть физических свойств тел макромира, а также их изменение при переходе из одного агрегатного состояния в другое. Данное взаимодействие лежит в основе электрических, магнитных, оптических и химических явлений.
Слабые ядерные силы.
Слабое взаимодействие проявляется на расстояниях, значительно меньше атомного ядра. Оно слабее двух вышеописанных фундаментальных сил, но сильнее гравитации.
В слабых ядерных силах участвуют две группы фундаментальных частиц (лептоны и кварки) и адроны. В процессе слабого взаимодействия частицы обмениваются "переносчиками" - W- и Z-бозонами, которые довольно массивны, в отличие от безмассовых глюонов и фотонов.
Слабые ядерные силы играют важную роль в природе. Протекание термоядерных реакций в звёздах обусловлено именно данным взаимодействием. Иными словами, благодаря слабым ядерным силам горит Солнце и другие газовые светила.
Но это ещё не всё. Слабое взаимодействие ответственно за бета-распад атомных ядер. Данный процесс является одним из трёх видов радиоактивности. Он заключается в испускании ядром "бета-частиц": электронов или позитронов.
Благодаря слабому взаимодействию происходит т.н. "слабый распад". Это когда массивные частицы разделяются на более лёгкие. Важным частным случаем является распад нейтрона - он способен превратится в протон, электрон и антинейтрино.
Гравитация.
Универсальное фундаментальное взаимодействие. Ему подвержены все материальные тела - от элементарных частиц до громадных галактик. Данная фундаментальная сила является самой слабой из всех и выражается стремлением материальных тел друг к другу - притяжением.
Гравитация является дальнодействующей силой и управляет наиболее глобальными процессами во Вселенной. Благодаря ей звёзды и их скопления сгруппировались в галактики. Благодаря ей в туманностях формируются газовые светила, холодные куски камня в космосе группируются в планеты, а мячик, брошенный Вами вверх, обязательно упадёт вниз.
Гравитация морочит головы физиков уже несколько десятилетий. Она является предметом многолетнего конфликта двух основных физических теорий: квантовой механики и теории относительности. Но почему?
Дело в том, что общая теория относительности и квантовая физика построены на разных принципах и описывают данную фундаментальную силу по-разному.
Эйнштейн объяснил гравитацию как искривление самого пространства-времени из-за масс материальных тел. А квантовая физика "квантует" её - описывает как взаимодействие, у которого есть свои частицы-переносчики. Их называют "гравитонами".
В квантовой механике пространство-время не представлено "динамической переменной", т.е. не зависит от находящихся в нём тел и систем. А это вразрез идёт с теорией относительности.
Но что самое удивительное - несмотря на принципиальные различия, все эти две теории доказаны экспериментально. Квантовая механика прекрасно описывает микромир, а теория относительности - Вселенную в макроскопических масштабах.
Сейчас идут попытки объединить релятивистскую и квантовую физику и беспроблемно описать гравитацию. Тогда будет построена "теория всего", и главным кандидатом на получение данного титула является "теория струн", запутанная в край своими 11-ю измерениями.
Навигация записи
