Фундаментальные взаимодействия

От прогулки по улице, до запуска ракеты в космос, или прикрепления магнита на ваш холодильник, физические силы действуют всюду вокруг нас. Но все силы, которые мы переживаем каждый день (и многие из них мы не осознаем) могут быть сведены всего к четырём фундаментальным взаимодействиям:

• гравитационному;
• электромагнитному;
• сильному;
• слабому.

Они называются четыре фундаментальные силы природы, и они управляют всем, что происходит во всей Вселенной.

Гравитация

Гравитация это притяжение между двумя объектами, которые имеют массу или энергию, это видно, когда бросаешь камень с моста, когда планеты кружат по орбите вокруг звезды или когда Луна становится причиной приливов и отливов на Земле. Гравитация, возможно, самая подсознательно воспринимаемая и знакомая из фундаментальных сил, но она также является самой сложной для объяснения.

Исаак Ньютон  был первым, кто предложил идею гравитации, предположительно его на это вдохновило яблоко, которое упало с дерева. Он описал гравитацию как постоянное притяжение между двумя объектами. Спустя века, Альберт Эйнштейн предложил свою  теорию общей относительности, согласно которой гравитация это не притяжение, а сила. Массивный объект ведёт себя в пространстве-времени, немного похоже на то, как большой мяч расположенный посреди листа влияет на материю, деформируя её и заставляя другие, меньшие, объекты на листе двигаться к центру.  

Гравитацией удерживаются вместе планеты, звёзды и даже галактики, она оказывается самой слабой из фундаментальных сил, особенно на молекулярных и атомарных уровнях. Подумай об этом: Насколько тяжело поднять мяч с земли? Или поднять твою ступню? Или прыгнуть? Все эти действия противодействуют гравитации всей Земли. А на молекулярном и атомарном уровнях, гравитация почти не имеет никакого влияния в сравнении с другими фундаментальными силами.

Электромагнетизм

Электромагнитное взаимодействие также называется силой Лоренца и действует между заряжёнными частицами. Противоположные заряды притягивают друг друга, в то время как одинаковые заряды отталкиваются. Чем больше заряд, тем сильнее сила. Точно так же, как и гравитация, эта сила может чувствоваться с бесконечного расстояния (хотя сила будет очень, очень мала на таком расстоянии).

Как указывает её название, электромагнитная сила состоит из двух частей электрической силы и  магнитной силы. Сначала физики описывали эти силы как отдельные друг от друга, но позже исследователи осознали, что они являются компонентами одной и той же силы. 

Электрический компонент действует между заряжёнными частицами двигаются ли они или нет, создавая поле, которым заряды могут влиять друг на друга. Но если их привести в движение эти заряжённые частицы начинают демонстрировать второй компонент, магнитную силу. Частицы создают магнитное поле вокруг них в то время, когда они движутся. Таким образом, когда электроны спешат по проводам, чтобы зарядить ваш компьютер или телефон, или включить ваш телевизор, вокруг провода образуется магнитное поле.

Электромагнитные силы передаются между заряжёнными частицами в результате обмена невесомыми, несущими силу бозонами, которые называются фотоны. Несущие силу фотоны, которые меняются местами с заряжёнными частицами, в то же время являются другой формой фотонов.

Электромагнитные силы ответственны за некоторые из самых часто наблюдаемых явлений: трение, упругость, нормальная сила и сила удержания твёрдых тел в заданной форме. Они также ответственны за притяжение, которое испытывают птицы, самолеты и даже Супермен, во время полёта. Это становится возможным благодаря тому, что заряжённые (нейтральные) частицы взаимодействуют друг с другом. Нормальная сила, которая держит книгу на крышке стола, например, является последствием отталкивания электронов атомов стола и электронов атомов книжки.

Сильное взаимодействие

Сильная ядерная сила, также называется сильное ядерное взаимодействие, это самая сильная фундаментальная сила природы. Она в шесть тысяч квинтильонов квинтильонов квинтильонов (это 39 нолей после 6!) раз сильнее чем сила гравитации. И поэтому она в состоянии связать вместе фундаментальные частицы вещества, чтобы сформировать большие частицы. Она держит вместе кварки, которые составляют протоны и нейтроны, и часть сильного взаимодействия также держит вместе протоны и нейтроны атомного ядра.

Сильное взаимодействие работает только тогда, когда субатомные частицы находятся очень близко друг к другу. Они должны быть где-то на расстоянии 10^-15 метров друг от друга, или, грубо говоря, на расстоянии диаметра протона. 

Хотя, сильное взаимодействие является нерегулярным, потому что, в отличие от любой другой фундаментальной силы, оно становится слабее, когда между субатомными частицами уменьшается расстояние. Фактически она достигает максимальной силы, когда частицы находятся дальше всего друг от друга. Крошечная частица сильного взаимодействия, называемая остаточным сильным взаимодействием, действует между протонами и нейтронами. Протоны в ядрах отталкивают друг друга потому что они имеют одинаковый заряд, но остаточное сильное взаимодействие может побороть это отталкивание, таким образом частицы остаются связанными в aтомных ядрах.

Слабое взаимодействие

Слабая сила, также называется слабым ядерным взаимодействием, ответственна за распад частиц. Это постоянное изменение одного типа субатомных частиц в другие. Таким образом, например, нейтрино который случайно пройдёт близко возле нейтрона может превратить нейтрон в протон, в то время, как нейтрино станет электроном.

Физики описывают это взаимодействие через обмен несущими силу частицами, которые называют бозонами. Специфические виды бозонов ответственны за слабое, электромагнитное и сильное взаимодействия. В случае слабого взаимодействия, бозоны – это заряжённые частицы, которые называются бозоны W и Z. Когда субатомные частицы такие как протоны, нейтроны и электроны подходят на расстояние 10^-18 метров или 0,1% диаметра протона, один к другому, они могут обменяться своими бозонами.

Слабое взаимодействие критично для реакции ядерного слияния, которая даёт энергию Солнцу и производит энергию, которая требуется для большинства форм жизни здесь на Земле. Именно поэтому археологи могут использовать, радиоактивный углерод, чтобы датировать древние кости, дерево и другие артефакты. Радиоактивный углерод имеет шесть протонов и восемь нейтронов, один из этих нейтронов распадается в протон, чтобы создать радиоактивный азот, который имеет семь протонов и семь нейтронов. Этот распад происходит прогнозируемо, что позволяет учёным определять насколько старым является такой артефакт.

Единая теория фундаментальных взаимодействий

Главный вопрос четырёх фундаментальных взаимодействий заключается в том являются ли они в действительности проявлением единой большой силы Вселенной или нет. Если да, каждая из них должна быть в состоянии объединяться с другими, и уже есть некоторые доказательства. 

Физики Шелдон Глашоу и Стивен Вайнберг из Гарвардского университета с Абдусом Салам с Империального колледжа в Лондоне выиграли Нобелевскую премию по физике в 1979 за объединение электромагнитной и слабой сил в результате чего появилась электрослабое взаимодействие. Физики также пытались объединить электрослабую силу с сильным взаимодействием,. Окончательный кусочек пазла будет требовать объединения гравитации с электросильной силой, чтобы развить, так называемую теорию всего, теоретическую систему взглядов, которая могла бы объяснить всю Вселенную.

Физикам довольно сложно совместить микромир с макромиром. На больших и в особенности астрономических шкалах, гравитация доминирует и лучше всего описывается теорией общей относительности Эйнштейна. Но на молекулярных, атомных и субатомных шкалах доминирует квантовая механика. На данный момент никому ещё не удалось найти хороший способ объединить эти два мира.

Физики, изучающие квантовую гравитацию, имеют своей целью описать силу в условиях квантового мира, что могло бы помочь с объединением. Фундаментальным для этого подхода было бы открытие гравитонов, теоретических, несущих силу бозонов гравитационной силы. Гравитация – это единственная фундаментальная сила, которую физики могут сейчас описать, не используя частицы, которые несут силу. Но, потому что описания всех других фундаментальных сил требует частиц, которые несут силу, учёные ожидают, что гравитоны должны существовать на субатомном уровне – исследователи эти частички просто пока не нашли.

Чтобы ещё больше всё усложнить можно вспомнить о невидимом царстве тёмной материи и тёмной энергии. Неясно состоят ли тёмная материя и энергия из одной частицы или всего набора частиц, которые имеют их собственные силы и носители бозоны.

Первичные носители-частицы, которые представляют интерес – это теоретический тёмный фотон, который передавал бы взаимодействия между видимой и невидимой материей. Если тёмные фотоны существуют, они могли бы привести к открытию пятой фундаментальной силы. Пока, однако, нет доказательств того, что тёмные фотоны существуют и некоторые исследования предоставили сильные доказательства, что эти частички не существуют.