Какие фундаментальные взаимодействия ответственны за формирование и развитие звезды

Обновлено: 25.06.2024

Фундамента́льные взаимоде́йствия — качественно различающиеся типы взаимодействия элементарных частиц и составленных из них тел.

На сегодня достоверно известно существование четырех фундаментальных взаимодействий:

При этом электромагнитное и слабое взаимодействия являются проявлениями единого электрослабого взаимодействия.

Ведутся поиски других типов фундаментальных взаимодействий, как в явлениях микромира, так и в космических масштабах, однако пока какого-либо другого типа фундаментального взаимодействия не обнаружено.

В физике механическая энергия делится на два вида — потенциальную и кинетическую энергию. Причиной изменения движения тел (изменения кинетической энергии) является сила (потенциальная энергия) (см. второй закон Ньютона). Исследуя окружающий нас мир, мы можем заметить множество самых разнообразных сил: сила тяжести, сила натяжения нити, сила сжатия пружины, сила столкновения тел, сила трения, сила сопротивления воздуха, сила взрыва и т. д. Однако когда была выяснена атомарная структура вещества, стало понятно, что все разнообразие этих сил есть результат взаимодействия атомов друг с другом. Поскольку основной вид межатомного взаимодействия — электромагнитное, то, как оказалось, большинство этих сил — лишь различные проявления электромагнитного взаимодействия. Одно из исключений составляет, например, сила тяжести, причиной которой является гравитационное взаимодействие между телами, обладающими массой.

Содержание

Сводная таблица

Взаимодействие	Текущее описание теорией	Заряд	Частица-переносчик	Относительная сила [1]	Зависимость от расстояния	Радиус воздействия (м)
Гравитация	Общая теория относительности (ОТО)	Масса	Гравитон (гипотетич.)	1	$\frac<1>$	∞
Слабое	Теория электрослабого взаимодействия (ТЭВ)	Слабый изоспин	W + W - Z 0 бозоны	10 25	$\frac<1> \ e^ \ r>$	10 −18
Электромагнитное	Квантовая электродинамика (КЭД)	Электрический заряд	Фотон	10 36	$\frac<1>$	∞
Сильное	Квантовая хромодинамика (КХД)	Цветной заряд	Глюон	10 38	(см. дискуссия)	10 −15

История

К началу XX века выяснилось, что все известные к тому моменту силы сводятся к двум фундаментальным взаимодействиям: электромагнитному и гравитационному.

В 1930-е годы физики обнаружили, что ядра атомов состоят из нуклонов (протонов и нейтронов). Стало понятно, что ни электромагнитные, ни гравитационные взаимодействия не могут объяснить, что удерживает нуклоны в ядре. Было постулировано существование нового фундаментального взаимодействия: сильного взаимодействия. Однако в дальнейшем оказалось, что и этого недостаточно, чтобы объяснить некоторые явления в микромире. В частности, было непонятно, что заставляет распадаться свободный нейтрон. Тогда было постулировано существование слабого взаимодействия, и этого оказалось достаточно для описания всех до сих пор наблюдавшихся явлений в микромире.

Создание единой теории фундаментальных взаимодействий

Первой из теорий взаимодействий стала теория электромагнетизма, созданная Максвеллом в 1863 году. Затем в 1915 г. Эйнштейн сформулировал общую теорию относительности, описывающую гравитационное поле. Появилась идея построения единой теории фундаментальных взаимодействий (которых на тот момент было известно только два), подобно тому как Максвеллу удалось создать общее описание электрических и магнитных явлений. Такая единая теория объединила бы гравитацию и электромагнетизм в качестве частных проявлений некоего единого взаимодействия.

В течение первой половины XX века ряд физиков предприняли многочисленные попытки создания такой теории, однако ни одной полностью удовлетворительной модели выдвинуто не было. Это, в частности, связано с тем, что общая теория относительности и теория электромагнетизма различны по своей сути. Тяготение описывается искривлением пространства-времени, и в этом смысле гравитационное поле нематериально, в то время как электромагнитное поле является материей.

Во второй половине XX столетия задача построения единой теории осложнилась необходимостью внесения в неё слабого и сильного взаимодействий, а также квантования теории.

В 1967 году Саламом и Вайнбергом была создана теория электрослабого взаимодействия, объединившая электромагнетизм и слабые взаимодействия. Позднее в 1973 году была предложена теория сильного взаимодействия (квантовая хромодинамика). На их основе была построена Стандартная Модель элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабые и сильное взаимодействия.

Экспериментальная проверка Стандартной Модели заключается в обнаружении предсказанных ею частиц и их свойств. В настоящий момент открыты все элементарные частицы Стандартной Модели, за исключением хиггсовского бозона.

Таким образом, в настоящее время фундаментальные взаимодействия описываются двумя общепринятыми теориями: общей теорией относительности и Стандартной Моделью. Их объединения пока достичь не удалось из-за трудностей создания квантовой теории гравитации. Для дальнейшего объединения фундаментальных взаимодействий используются различные подходы: теории струн, петлевая квантовая гравитация, а также М-теория.

См. также

Примечания

↑ Приближённо. См. Константа взаимодействия для более точного значения силы в зависимости от частицы и её энергии.

Ссылки

Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.
Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.
Эта отметка установлена 7 мая 2012.

Фундаментальные взаимодействия (силы) - это наиболее глубокие физические структурные связи Вселенной, природы. Все действующие в природе силы можно свести к небольшому числу взаимодействий. В начале XX века их было известно два - гравитационное и электромагнитное. В 1930-х годах было обнаружено еще два - слабое и сильное. Цель физики - объединить все взаимодействия в одно и тем самым создать общую физическую теорию материи (единую теорию элементарных частиц).

В настоящее время считается, что силы между частицами возникают в результате обмена частицами-переносчиками.

Роль этих постоянных в формировании структуры и свойств Вселенной настолько велика, что их не случайно включают в число мировых постоянных – наиболее фундаментальных физических параметров, характеризующих свойства Вселенной.

Силы гравитации – силы притяжения, но в настоящее время рассматривается предположение существования гравитационного отталкивания, действовавшего в первые мгновения Вселенной.

Квантование гравитации предполагает существование гравитона – нейтральной частицы с нулевой массой покоя и спином 2. Это квант флуктуирующего пространства-времени, сочетающий свойства элементарной частицы и волны искривления, бегущей по четырехмерному миру. Гравитоны экспериментально обнаружить невозможно, т.к. в микромире гравитация ничтожна. Квантовые эффекты в гравитационном поле проявляют себя при плотности вещества порядка 10 93 г/см 3 (сингулярность, черная дыра), когда гигантские массы вещества сжимаются до незначительных размеров.

Квантовую теорию гравитации (КТГ) пока создать не удалось. КТГ должна объединить квантовую механику с общей ОТО. Оказалось, что стандартным образом они несовместимы. ОТО – принципиально неквантовая теория, т.к. при квантовании гравитации исчезают пространство и время - они теряют смысл внутри квантов пространства и времени. А гравитация в ОТО отождествляется с искривленным пространством-временем. Таким образом, теряет смысл и гравитация. Но на рубеже XX-XXI веков на базе теории суперструн появились возможности синтеза квантовой механики и ОТО.

ЭМВ определяет структуру атомов и молекул, отвечает за большинство физических и химических процессов (силу упругости, силу трения, оптические явления, химические превращения и др.). Квантовая теория ЭМВ или квантовая электродинамика (КЭД) была создана в середине XX века. Эта теория описывает взаимодействия электромагнитного поля и заряженных частиц, а также заряженных частиц между собой. КЭД удовлетворяет основным принципам квантовой механики и СТО – является их синтезом.

Если в классической теории электроны предстают в виде твердых точечных шариков, то в КЭД электрон окружен собственным электромагнитным полем, рассматривающимся как облако виртуальных фотонов. Фотоны очень быстро возникают и исчезают, а электроны движутся в пространстве по не вполне определенным траекториям (влияние вакуума). Если в классической теории электрон движется по определенной траектории, то в КТП строго можно определить только начальную и конечную точки пути.

Взаимодействие зарядов происходит через обмен виртуальными фотонами. Взаимодействие между электромагнитным полем и зарядом осуществляется через виртуальные фотоны, рождаемые частицей. Фотон, в свою очередь, превращается в виртуальную электрон-позитронную пару, которая аннигилирует (уничтожается) с образованием нового фотона. В результате заряженная частица окружена облаком виртуальных фотонов, электронов и позитронов.

Таким образом, КЭД предсказывает рождение в сильных электромагнитных и гравитационных полях виртуальных пар частица-античастица. КЭД проверена на большом числе опытов. Результаты проверок совпадают с предсказаниями с огромной точностью.

В 1965 году за создание КЭД С.Томонага, Р.Фейнман, Дж.Швингер получили Нобелевскую премию. КЭД стала моделью для квантового описания других взаимодействий.

Слабое взаимодействие сильнее гравитационного по мощи, но слабее по интенсивности (скорости протекания), т.к. имеет самый маленький радиус действия – порядка 10 -16 см, т.е. действует медленнее всех. Время действия порядка 10 -10 сек. Этим, например, объясняется колоссальная проникающая способность нейтрино. Каждую секунду через площадку 1 см 2 на Земле проходит без столкновений около 10 10 нейтрино, испущенных Солнцем.

Законченная теория была создана в конце 1960-х годов С.Вайнбергом и А.Саламом в рамках теории электрослабого взаимодействия. Выяснилось, что для описания слабого взаимодействия необходимы три силовых поля с тремя переносчиками взаимодействия – тяжелыми бозонами со спином 1: W + , W - , Z 0 (нейтральный бозон означает, что слабое взаимодействие может не сопровождаться переносом электрического заряда). Новая теория, в отличие от прежней, обосновывала необходимость Z 0 -бозона. В 1983 году все эти бозоны были экспериментально обнаружены.

Сильные взаимодействия характеризуют притяжение и отталкивание между кварками. Они, например, происходят на уровне атомных ядер и представляют собой взаимное притяжение и отталкивание их составных частей. Участвуют только тяжелые частицы - адроны. Главная функция в ядре – создание прочной связи между нуклонами (протонами и нейтронами). Радиус действия порядка10 -13 см, время действия – 10 -19 –10 -21 сек. За пределами ядра взаимодействие отсутствует. Размеры ядра 10 -12 -10 -13 см. Плотность ядра 10 14 г/см 3 . Ядра элементов в конце таблицы Менделеева неустойчивы, так как их радиус велик.

Теория создана по типу теории слабого взаимодействия. Взаимодействие представляется как результат обмена глюонами, которые обеспечивают связь кварков (попарно или тройками) в адроны. Из теории следует, что должно быть 8 типов глюонов, как и фотоны имеющих массу покоя=0 и спин=1.

Сильные взаимодействия – источник огромной энергии. Пример – термоядерные реакции в звездах. Принцип сильного взаимодействия использован в ядерном оружии.

Единая теория поля

Теория электрослабого взаимодействия. В конце 1960-х годов электромагнитные и слабые взаимодействия, разные по своей природе, были объединены в одно - электрослабое взаимодействие. Теория была создана независимо С.Вайнбергом и А.Саламом. В 1979 году они совместно с Глэшоу получили Нобелевскую премию.

Дело в том, что слабое взаимодействие более сложно. Во-первых, в слабом взаимодействии могут участвовать частицы различных типов. Во-вторых, электромагнитное взаимодействие не превращает частицы в другие частицы.

В теории Вайнберга–Салама фотоны и W + ,W - ,Z 0 -бозоны имеют общее происхождение. Слабое взаимодействие столь мало потому, что бозоны очень массивны (87 m p ). При энергиях больше 10 2 Гэв разница между фотонами и бозонами стирается. Экспериментальное обнаружение в 1983 году этих бозонов доказало, что электромагнитное и слабое взаимодействия являются компонентами единого электрослабого взаимодействия.

Теория Великого объединения (ТВО)объединяет сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия. При энергиях более 10 14 Гэв или на расстояниях менее 10 -29 см эти три взаимодействия имеют общую природу (описываются общей константой). Кварки и лептоны здесь практически неразличимы, т.е. в их взаимопревращениях нарушается закон сохранения барионного заряда. Существуют разные варианты ТВО, они имеют следующие общие черты:

-кварки и лептоны являются подлинно элементарными (неделимыми) – шесть кварков, шесть лептонов и их античастицы (всего 24 частиц) являются кирпичиками вещества;

-открытие новых типов полей, превращающих кварки в лептоны, т.е. предсказываются новые переносчики взаимодействия (сверхтяжелые промежуточные X- и Y–бозоны, обладающие массой 10 14 m_p, цветом и электрическими зарядами 1/3 и 1/4);

-предсказывается нестабильность протона (время жизни примерно 10 33 лет), из которого вытекает нестабильность вещества;

-предсказывается существование магнитного монополя – стабильной и очень тяжелой частицы массой 10 8 масс протона.

Их обнаружение будет великими физическими экспериментами. Кажущийся парадокс – протон содержит внутри себя Х-бозон, который тяжелее - объясняется принципом неопределенности.

Единая теория поля (ЕТП, суперсимметрия, супергравитация, квантовая теория гравитации) объединяет все четыре взаимодействия. Теория показывает, что объединение взаимодействий происходит при энергиях больше 10 19 Гэв. Теория должна обеспечить переход (симметрию) от носителей субстрата материи (лептонов и кварков) к носителям структуры материи (переносчикам взаимодействий) и наоборот. Гравитон здесь не единственный переносчик гравитационного взаимодействия. Гравитино – частицы со спином 3/2. Переносчики других взаимодействий также сопровождаются новыми частицами-переносчиками – фотино, вино, зино, глюино.

Идея суперсимметрии в природе: постулируется единая природа всех частиц. Это кульминация теоретической физики. С созданием супергравитации можно получить ответы на следующие вопросы:

-почему пространство трехмерно, а время одномерно;

-сколько существует фундаментальных взаимодействий;

-сколько существует элементарных частиц;

-почему мировые константы имеют именно такую величину;

-от чего зависят константы (например, заряд электрона).

ЕТП не завершена, есть сомнения в ее получении в рамках квантовой теории поля (КТП или стандартной модели). Главная трудность – отсутствие связи гравитации с физикой элементарных частиц, квантовой теории микрогравитации. Новая нестандартная модель (теория суперструн) предполагает обоснование физики геометрией, возрождает идею многомерности пространства.

Теория суперструн (М-теория, многомерная супергравитация) пришла на смену стандартной модели на рубеже XX-XXI веков. Первоначально в ее основе лежала идея о том, что элементарные частицы должны рассматриваться не как точечные образования, а как одномерные вибрирующие струны. КТП здесь есть приближение теории суперструн.

Струны-гравитоны либо свернуты в петли, либо являются незамкнутыми отрезками. Они не имеют толщины, длина порядка планковской величины 10 -33 см, имеют огромное натяжение порядка 10 39 тонн. Колебаниями и взаимодействиями струн можно объяснить природу элементарных частиц, их взаимодействий, природу пространства и времени. Характеристики элементарных частиц объясняются резонансными колебаниями струн (модами). Масса элементарной частицы определяется энергией колебания струны. Взаимодействие элементарных частиц представляются как распады и слияния струн. Пространство и время существуют, когда все множество струн упорядочено (колеблются согласовано).

Из теории суперструн следуют важные выводы:

-число элементарных частиц бесконечно как бесконечно число мод колебаний;

-возможно существование новых фундаментальных взаимодействий.

Теория предсказывает, что некоторые свернутые измерения могут иметь размеры в пределах долей миллиметра. Планируются эксперименты по их обнаружению. Суть – измерение силы тяготения в этих пределах (если для нашего пространства сила тяготения обратно пропорциональна квадрату расстояния, то для струн может быть другая степень). Теория предсказывает струны космических размеров, которые возникли на начальном этапе развития Вселенной. Теория предсказывает частицы с электрическими зарядами 1/5, 1/11, 1/13 и 1/53. Предсказывается непостоянство некоторых физических констант. Недавно эксперименты показали, что постоянная тонкой структуры (количественная характеристика электромагнитного взаимодействия) в прошлом была заметна меньше.

Математическое описание шестимерных пространств сложно (десятки тысяч уравнений). Уравнения сложны даже для формулировки. Их решения приблизительны.

Теория суперструн далеко опередила возможности эксперимента. Таким образом, создание единой теории материи зависит от экспериментов – от создания мощных ускорителей, от изучения космических лучей.

Новая физика. Не исключены другие варианты развития физики. Например, это зависит от открытия субкварковых частиц, неизвестных видов материи и энергии, неподтверждения теории суперструн и т.д.

В природе все объекты являются упорядоченными, иерархически организованные системы.

В строении материи выделяется три уровня:

На таком структурном уровне организации материи, как микромир, рассматриваются предельно малые микрообъекты в пространственных масштабах не более 10 в -8 степени м, и временных масштабах - от бесконечности до 10 в -24 степени сек. Изучение микромира стало возможным благодаря квантовой теории.

Самой первой элементарной частицей, открытой учеными, является электрон, а затем были открыты фотон, протон, нейтрон, позитрон. В настоящее время число открытых элементарных частиц достигает 400.

Элементарные частицы разделяются на два класса: фермионы и бозоны. Фермионы составляют вещество, а бозоны переносят взаимодействие.

Всем элементарным частицам присущи следующие характеристики:

электрический заряд (+,-, 0). Каждой элементарной частице, за исключением фотона и мезонов, соответствует античастица, несущая противоположный заряд. И частица, и античастица имеют одинаковую массу покоя, время жизни и спин. В процессе взаимодействия частицы и античастицы происходит уничтожение каждой из них, при этом происходит выделение энергии.
масса покоя. Масса покоя частицы рассчитывается по отношению к массе покоя электрона. Фотоны не имеют такую массу.
время жизни. в зависимости от этой характеристики частицы бывают стабильными и нестабильными.
спин – собственный момент количества движения микрочастицы.

Фундаментальные взаимодействия

Существует четыре следующих типа фундаментальных взаимодействий между элементарными частицами:

Сильное
Слабое
Гравитационное
Электромагнитное

Эти четыре вида взаимодействий являются фундаментальными в природе в целом. Установлено, что любому полю характерны частицы, которые осуществляют взаимодействия. Фундаментальные взаимодействия переносятся четырьмя видами бозонов.

Готовые работы на аналогичную тему

Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре и происходит на уровне атомных ядер. Сильное взаимодействие действует на расстоянии около 10 в -15 степени м. А время протекания взаимодействия составляет 10 в -23 степени с. Ядерные взаимодействия переносятся глюонами.

Электромагнитное взаимодействие происходит между заряженными частицами. Квантом электромагнитного поля является фотон, который переносит электромагнитное взаимодействие. В процессе этого взаимодействия атомные ядра и электроны соединяются в атомы, затем атомы соединяются в молекулы. Расстояние взаимодействия не ограничено. Время протекания составляет 10 в -20 степени с.

С процессом распада элементарных частиц и процессом взаимодействия нейтрино с веществом связано слабое взаимодействие. Радиус взаимодействия составляет 10 в -18 степени м, время протекания 10 в -10 степени с. Переносчиками слабого взаимодействия являются векторные бозоны.

Гравитационное взаимодействие в микромире часто не учитывается. В космических масштабах гравитационное взаимодействие имеет ключевое значение. Радиус такого взаимодействия не ограничен. Переносчиком взаимодействия является гравитон, который переносит силу гравитации между телами.

Некоторые элементарные частицы принимают участие во всех типах взаимодействий, например, протон. Другие частицы участвуют только в некоторых, например, мюон, электрон.

Взаимодействия осуществляются при помощи соответствующих физических полей, квантами которых они являются. То состояние, в котором кванты поля отсутствуют, называется вакуумом.

Макромир

Макромир отставляют тела, состоящие из микрочастиц. Поведение и свойства этих тел изучает классическая физика. В классической механике Ньютона в роли вещественных образований выступает корпускула – материальная частица и единая система корпускул - физическое тело. То есть, идеальными физическими образами реально существующих частиц и тел являются материальная точка и твердое дело. В макромире взаимодействие тел происходит под действием электромагнитных сил и силы тяготения.

Одной из главных характеристик материальных объектов является масса как мера инерции тел. Масса пропорциональна энергии, поэтому масса может быть определена как мера энергии.

Понятие силы является еще одной фундаментальной характеристикой классической физики. Силой называется физическая сила взаимодействия тел и причина их передвижения относительно друг друга.

Энергия является еще одним основным понятием макромира. Энергией называется общая мера различных видов движения. Физические формы движения, качественно различающиеся, могут преобразовываться друг в друга. В процессе превращения выделяется энергия, которая бывает тепловой, механической, ядерной, электромагнитной, гравитационной и т.д.

Важнейшими законами природы, которые проявляются в макромире, являются такие законы, как: закон сохранения и превращения энергии, закон сохранения импульса, три закона Ньютона, закон всемирного тяготения и т.д.

Мегамир

Мегамир начинается с расстояний в 10 в 7 степени м и с масс 10 в 20 степени кг. Так как единицы, принятые в физике макромира, не подходят для измерения таких огромных величин, были приняты специальные:

световой год. Определяет расстояние, которое преодолевает свет в течение года
астрономическая единица означает среднее расстояние от Земли до Солнца
парсек.

Данный структурный уровень материи изучает астрономия. Предметом исследования астрономии является природа и движение небесных тел, их возникновение и развитие.

Мегамир – это система небесных тел. Система небесных тел, в свою очередь, состоит из планет и планетных систем, галактик и Метагалактики. Во Вселенной материя представляет собой сконденсировавшиеся космические тела и диффузную материю. Диффузная материя существует в форме разрозненных молекул и атомов, а также в виде газово-пылевых туманностей. Кроме этого, материя способна существовать в виде излучения.

В Галактике 97% вещества находится в звездах, которые представляют собой огромные плазменные образования, имеющие разную величину и температуру. Звезды образуют звездные скопления, являющиеся частями галактики. Насчитывается приблизительно 10 миллиардов галактик.

Гравитационное взаимодействие имеет решающее значение в мегамире.

Кроме звезд, на уровне мегамира существуют еще планеты. Планеты и Солнце, вокруг которого они движутся, образуют Солнечную систему.

Все силы, с которыми мы сталкиваемся каждый день, можно свести к четырем категориям — гравитация, электромагнетизм, сильная сила и слабая. Недавно физики нашли возможные признаки пятой фундаментальной силы природы, о которой мы писали ранее. Пришло время разобраться, как работают основные.

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 −18 метров (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).

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.

Поле Хиггса обеспечивает спонтанное нарушение симметрии электрослабых взаимодействий благодаря нарушению симметрии вакуума, названо по имени разработчика его теории, британского физика Питера Хиггса. Квант этого поля — хиггсовская частица (хиггсовский бозон).

W- и Z-бозоны — фундаментальные частицы, переносчики слабого взаимодействия. Их открытие считается одним из главнейших успехов Стандартной модели физики элементарных частиц. W-частица названа по первой букве названия взаимодействия — слабое взаимодействие

Углерод-14 — радиоактивный нуклид химического элемента углерода с атомным номером 6 и массовым числом 14.

Изотопы азота — разновидности атомов химического элемента азота, имеющие разное содержание нейтронов в ядре. Природный азот состоит из двух стабильных изотопов ¹⁴N и ¹⁵N с атомными концентрациями 0,99636 и 0,00364 соответственно.

Нейтральная частица — элементарная частица, не имеющая электрического заряда. К нейтральным частицам, относятся, например, фотон, нейтрон, нейтрино. Нейтральные частицы могут иметь, однако, магнитный момент и электрические моменты высшей мультипольности, например, квадрупольный момент.

Сила нормальной реакции — сила, действующая на тело со стороны опоры и направленная перпендикулярно к поверхности соприкосновения. Распределена по площади зоны соприкосновения. Подлежит учёту при анализе динамики движения тела. Фигурирует в законе Амонтона — Кулона.