Какво представляват фундаменталните взаимодействия? Четири физически сили Слаби ядрени сили.

Какви сили познавате? гравитация, напрежение на конеца,компресия на пружина, сблъсък на тела, сила на триене, експлозия, съпротивление на въздух и среда, повърхностно напрежение на течност, сили на Ван дер Ваалс - и списъкът не свършва дотук. Но всички тези сили са производни на четирите фундаментални! Те ще бъдат обсъдени.

четири сили

В основата на основите на физическите закони са четири фундаментални взаимодействия, които отговарят за всички процеси във Вселената. Ако елементарните частици могат да се сравняват с тухлите на битието, тогава взаимодействията са циментов разтвор. Силни, електромагнитни, слаби и гравитационни - в този ред, от силни към слаби, се разглеждат взаимодействията. Те не могат да бъдат сведени до по-прости - затова се наричат ​​основни.

Преди да преминете към описанието на силите, е необходимо да обясните какво се разбира под думата взаимодействие. Физиците го разглеждат като резултат от обмен на определени посредници, те обикновено се наричат носители на взаимодействие.

Да започнем с най-интензивното. силенвзаимодействието е открито през 30-те години на миналия век в периода на активно изследване на атома. Оказа се, че целостта и стабилността на ядрото му се осигуряват именно от изключително силно взаимодействие нуклонипомежду си.

Нуклони(от лат. nucleus - ядро) - общото наименование на протоните и неутроните, основните компоненти на ядрото на атома. От гледна точка на силното взаимодействие тези частици са неразличими. Неутронът е по-тежък от протона с 0,13% - това се оказва достатъчно, за да стане единствената елементарна частица с маса на покой, за която се наблюдава гравитационно взаимодействие.

Съдържанието на ядрата се привлича едно към друго благодарение на специални кванти - π-мезони, които са "официалните" носители на силното взаимодействие. Такава ядрена сила е 1038 пъти по-интензивна от най-слабото взаимодействие – гравитационното. Ако силната сила внезапно изчезне, атомите във Вселената моментално ще се разпаднат. Зад тях молекулите, след това материята - цялата заобикаляща ни реалност би престанала да съществува, с изключение на елементарните частици. Интересна особеност на техните "взаимоотношения" е действието на малък обсег: положително заредените частици, протоните, се привличат един към друг само когато са в пряк контакт.

Ако протоните са на известно разстояние един от друг, тогава електромагнитнивзаимодействие, при което еднакво заредените частици се отблъскват, а противоположно заредените частици се привличат. При незаредените частици тази сила не възниква - нека си припомним известния закон на Кулон за неподвижните точкови електрически заряди. Носителите на електромагнитни сили са фотоните, които осигуряват, наред с други неща, преноса на енергията на Слънцето към нашата планета. Изключването на тази сила заплашва Земята с пълно замръзване. Електромагнитното взаимодействие е 1035 пъти по-силно от гравитационното, тоест само 100 пъти по-слабо от ядреното.

Природата е осигурила друга фундаментална сила, характеризираща се с изчезващо ниска интензивност и много малък радиус на действие (по-малък от атомно ядро). Това слабвзаимодействие - неговите носители са специални заредени и неутрални бозони. Сферата на отговорност на слабите сили е преди всичко бета-разпадането на неутрона, придружено от образуването на протон, електрон и (анти)неутрино. Такива трансформации активно протичат на Слънцето, което определя важността на това фундаментално взаимодействие за нас.

(Не)изследвана гравитация

Всички описани сили са достатъчно подробно изучени и органично вградени във физическата картина на света. Въпреки това, последната сила гравитационен, се отличава с толкова нисък интензитет, че човек все още трябва да гадае за същността му.

Парадоксът на гравитационното взаимодействие е, че го усещаме всяка секунда, но не можем да фиксираме носителя по никакъв начин. Има само предположение за съществуването на хипотетичен гравитонен квант със скоростта на светлината. Той е способен на смущения и дифракция, но е лишен от заряд. Учените смятат, че когато една частица излъчва гравитон, характерът на нейното движение се променя, подобна ситуация се развива с частица, която получава квант. Нивото на развитие на технологиите все още не ни позволява да "видим" гравитона и да проучим неговите свойства по-подробно. Интензитетът на гравитацията е 1025 пъти по-малък от слабото взаимодействие.

Как така, ще кажете, силата на гравитацията изобщо не изглежда слаба! Това са уникалните свойства на фундаменталното взаимодействие № 4. Например универсалност - всяко тяло с всякаква маса създава гравитационно поле в пространството, което може да пробие всяко препятствие. Освен това силата на гравитацията нараства с масата на обекта – свойство, което е характерно само за това взаимодействие.

Ето защо Земята, гигантска в сравнение с човек, създава около себе си гравитационно поле, което държи на повърхността въздух, вода, скали и, разбира се, жива обвивка. Ако гравитацията се отмени веднага, скоростта, с която вие и аз ще отидем в космоса, ще бъде 500 m / s. Наред с електромагнитното взаимодействие, гравитацията има голям обхват. Следователно ролята му в системата от движещи се тела във Вселената е огромна. Дори между двама души, които са на значително разстояние един от друг, съществува микроскопично гравитационно привличане.

Gravity Gun е измислено оръжие, което създава локално гравитационно поле. Оръжието ви позволява да дърпате, повдигате и хвърляте предмети поради силата, генерирана от полето. Тази концепция е използвана за първи път в компютърната игра Half-life 2.

Представете си въртящ се връх, вертикално фиксиран в центъра на пръстеновидна рамка, свободно въртящ се около хоризонтална ос. Тази рамка - да я наречем вътрешна - от своя страна е фиксирана върху външна пръстеновидна рамка, която също свободно се върти в хоризонтална равнина. Дизайнът около върха се нарича кардани, и всичко това заедно жироскоп.

В покой върхът в жироскопа се върти спокойно във вертикално положение, но веднага щом външни сили - например ускорение - се опитат да завъртят оста на въртене на върховете, той се завърта перпендикулярно на този ефект. Колкото и да се опитваме да завъртим върха в жироскопа, той пак ще се върти във вертикално положение. Най-модерните жироскопи реагират дори на въртенето на Земята, което беше демонстрирано за първи път от французина Жан Бернар Фукопрез 1851г. Ако оборудваме жироскоп със сензор, който отчита позицията на върха спрямо рамката, ще получим точно навигационно устройство, което ни позволява да проследяваме движението на обект в пространството - например самолет.

Гравитационни ефекти

Гравитацията може да изиграе жесток номер с големи, много по-масивни обекти в космоса, много по-масивни от Земята, като звезди в по-късните етапи на еволюцията. Силата на привличане притиска звездата и в определен момент надделява над вътрешното налягане. Когато радиусът на такъв обект стане по-малък от гравитационния, колапси звездата угасва. От него не идва повече информация, дори светлинните лъчи не могат да преодолеят гигантската сила на привличане. Ето как се ражда черна дупка.

Планетите, много по-миниатюрни обекти, имат свои собствени гравитационни характеристики. И така, Земята, поради собствената си маса, огъва пространство-времето и го усуква с въртенето си! Тези явления се наричат ​​съответно геодезична прецесия и гравитомагнитен ефект.

Какво е геодезическа прецесия? Представете си, че обект се движи по орбитата на нашата планета, на чиято повърхност (в безтегловност) се върти върха с висока скорост. Неговата ос ще се отклонява по посока на движение с интензивност от 6,6 дъгови секунди на година. Земята огъва заобикалящото пространство-време с масата си, създавайки нещо като вдлъбнатина в него.

Гравитомагнитен ефект(Lense-Thirring ефект) илюстрира добре въртенето на пръчка в гъст мед: тя носи вискозна сладка маса, образувайки спираловиден вихър. Така че Земята чрез въртене завърта "меденото" пространство-време около оста си. И това отново се фиксира от оста на върха, която се отклонява спрямо въртенето на Земята с микроскопичните 0,04 дъгови секунди на година.

Нашата планета със своята гравитация влияе на времето и пространството. Това твърдение дълго време остава само хипотеза на Айнщайн и неговите последователи, докато през 2004 г. американците не изстрелват сателита Gravity Probe-B. Устройството се въртеше в полярната орбита на Земята и беше оборудвано с най-точните жироскопи в света - сложни аналози на върхове. Сложността на тези технически шедьоври се доказва от факта, че неравностите на топките на жироскопа не надвишават два или три атома. Ако тези миниатюрни сфери се увеличат до размера на Земята, тогава височината на най-голямата неравност няма да надвишава три метра! Такива трикове бяха необходими, за да се установи експериментално самата кривина на пространство-времето. И след 17 месеца работа в орбита, оборудването записа изместването на осите на въртене на четири супержироскопа наведнъж!

По време на експеримента Gravity Probe-B бяха доказани два ефекта от Общата теория на относителността: кривината на пространство-времето (геодезична прецесия) и появата на допълнително ускорение в близост до масивни тела (гравитомагнитен ефект)

Гравитацията има много други, много по-очевидни ефекти. Например в нашето тяло няма нито един орган, който да не е адаптиран към земната гравитация.

Ето защо е толкова необичайно и дори опасно човек да бъде дълго време в състояние на безтегловност: кръвта се преразпределя в тялото по такъв начин, че оказва прекомерен натиск върху съдовете на мозъка и костите в крайна сметка отказват да абсорбират калциеви соли и стават крехки, като тръстика. Само чрез постоянна физическа активност човек може частично да се предпази от последствията от безтегловността.

Гравитационното поле на Луната влияе върху Земята и нейните жители - всеки знае за приливите и отливите. Поради центробежната сила Луната се отдалечава от нас с 4 см на година, а интензивността на приливите и отливите неумолимо намалява. В праисторическия период Луната е била много по-близо до Земята и съответно приливите и отливите са били значителни. Може би това беше основният фактор, който предопредели появата на живи организми на сушата.

Въпреки че все още не знаем коя частица е отговорна за гравитацията, можем да я измерим! За това се използва специално устройство - гравиметър, с който геолозите активно работят в търсене на полезни изкопаеми.

В дебелината на земната повърхност скалите имат различна плътност и следователно тяхната гравитационна сила ще варира. По този начин можете да определите находищата на леки въглеводороди (нефт и газ), както и плътни скали от метални руди. Те измерват силата на привличане, като фиксират най-малката промяна в скоростта на свободно падане на тяло с известна маса или хода на махалото. За това те дори въведоха специална мерна единица - Гал (Гал) в чест на Галилео Галилей, който пръв в историята определи силата на гравитацията чрез измерване на пътя на свободно падащо тяло.

Дългосрочните изследвания на гравитацията на Земята от космоса позволиха да се създаде карта на гравитационните аномалии на нашата планета. Рязкото увеличаване на силата на гравитацията върху отделно парче земя може да бъде предвестник на земетресение или вулканично изригване.

Изследването на фундаменталните взаимодействия едва набира скорост. Не може да се каже със сигурност, че има само четири сили - може да са пет или десет. Учените се опитват да съберат всички взаимодействия под "покрива" на един модел, но все още е толкова далеч до създаването му. И хипотетичният гравитон става основен център на тежестта. Скептиците казват, че човек никога няма да може да фиксира този квант, тъй като неговият интензитет е твърде нисък, но оптимистите вярват в бъдещето на технологиите и методите на физиката. Изчакай и виж.

Сила- векторна физическа величина, която е мярка за интензивността на въздействието върху дадено тяло на други тела, както и на полета. Силата, приложена към масивно тяло, е причина за промяна на скоростта му или възникване на деформации в него.

В съвременната наука се разграничават 4 вида взаимодействия. Две от тях, които се разглеждат в механиката, се наричат гравитационенИ електромагнитни. Те съответстват на сили, които не могат да бъдат сведени до по-прости и затова се наричат фундаментален. Още две: силна и слаба са ядрени. Сила на привличане и g. Деформация - това е промяна в размера или формата на тялото под въздействието на други тела. Както е известно от курса на училищната физика, всички тела са съставени от електрически заряди. Когато телата се деформират, разстоянията между зарядите се променят, а това от своя страна води до дисбаланс между силите на привличане и отблъскване между зарядите. Когато тялото е разтегнато, преобладават силите на привличане между зарядите и тялото "се съпротивлява" на разтягане; по същия начин, когато е компресирано, преобладават силите на отблъскване. Закон на Хук. Подкрепете силата на реакция и силата на опън на окачването. IN телесно теглонаречена силата, с която тялото действа върху опората или окачването. Когато тялото взаимодейства с опора или окачване, самото тяло се деформира, което води до появата на еластична сила, действаща върху опората или окачването. Силите на тежестта и опорната реакция са взаимосвързани според третия закон на Нютон. Подобно равенство съществува за тяло на окачване. T=R. Сила на триене.

В рамките на класическата механика гравитационното взаимодействие се описва от закона на Нютон за всемирното привличане, който гласи, че силата на гравитационното привличане между две материални точки с маса и , разделени от разстояние, е пропорционална на двете маси и обратно пропорционална на квадрат на разстоянието - това е:

Електромагнитно взаимодействие съществува между частици, които имат електрически заряд. От съвременна гледна точка електромагнитното взаимодействие между заредените частици не се осъществява директно, а само чрез електромагнитното поле.

Силното взаимодействие включва кварки и глуони и частици, съставени от тях, наречени адрони (бариони и мезони). Той работи в мащаби от порядъка на размера на атомното ядро ​​или по-малко, като е отговорен за връзката между кварките в адроните и за привличането между нуклоните (вид бариони - протони и неутрони) в ядрата.

Слабо взаимодействие, или слаба ядрена сила- едно от четирите фундаментални взаимодействия в природата. Той е отговорен по-специално за ядрото на бета-разпад. Това взаимодействие се нарича слабо, тъй като другите две взаимодействия, които са значими за ядрената физика (силни и електромагнитни), се характеризират с много по-голяма интензивност. То обаче е много по-силно от четвъртото от фундаменталните взаимодействия, гравитационното. Слабото взаимодействие е късодейство - проявява се на разстояния много по-малки от размера на атомното ядро.

В природата има четири вида сили: гравитационни, електромагнитни, ядрени и слаби.

гравитационни сили, или гравитационна сила,действат между всички тела. Но тези сили са забележими, ако поне едно от телата има размери, съизмерими с размерите на планетите. Силите на привличане между обикновените тела са толкова малки, че могат да бъдат пренебрегнати. Следователно гравитационните сили могат да се считат за силите на взаимодействие между планетите, както и между планетите и Слънцето или други тела, които имат много голяма маса. Това могат да бъдат звезди, спътници на планети и др.

Електромагнитни сили действат между тела, които имат електрически заряд.

ядрени сили(силен) са най-мощните в природата. Те действат вътре в ядрата на атомите на разстояния 10 -13 cm.

Слаби сили, подобно на ядрените, действат на малки разстояния от порядъка на 10 -15 см. В резултат на тяхното действие протичат процеси вътре в ядрото.

Механиката разглежда гравитационните сили, еластичните сили и силите на триене.

Гравитационни сили

Описана е гравитацията законът за всемирното притегляне. Този закон бешеочертан от Нютон в средата XVII V. в Математически принципи на естествената философия.

Земно притегляненаречена гравитационна сила, с която всяка материална частица се привлича една към друга.

Силата, с която материалните частици се привличат една към друга, е право пропорционална на произведението на техните маси и обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях. .

Ж - гравитационна константа, числено равна на модула на гравитационната сила, с която тяло с единична маса действа върху тяло със същата единична маса и разположено на единично разстояние от него.

Ж \u003d 6,67384 (80) 10 −11 m 3 s −2 kg −1, или N m² kg −2.

На повърхността на Земята гравитационната сила (гравитационната сила) се проявява във формата земно притегляне.

Виждаме, че всеки обект, хвърлен в хоризонтална посока, все още пада надолу. Всеки хвърлен нагоре предмет също пада. Това се дължи на действащата сила на гравитацията всяко материално тяло, разположено близо до повърхността на Земята. Гравитацията действа върху телата и върху повърхностите на други астрономически тела. Тази сила винаги е насочена вертикално надолу.

Под въздействието на гравитацията тялото се движи към повърхността на планетата с ускорение, наречено ускорение на свободно падане.

Ускорението на свободното падане на земната повърхност се означава с буквата ж .

F t = мг ,

следователно,

ж = F t / м

ж \u003d 9,81 m / s 2 на полюсите на Земята и на екватора ж \u003d 9,78 m / s 2.

При решаване на прости физически задачи количеството ж се счита за равна на 9,8 m / s 2.

Класическата теория за гравитацията е приложима само за тела със скорост много по-ниска от скоростта на светлината.

еластични сили

Сили на еластичност наричат ​​​​силите, които възникват в тялото в резултат на деформация, причинявайки промяна на неговата форма или обем. Тези сили винаги се стремят да върнат тялото в първоначалното му положение.

При деформация частиците на тялото се изместват. Еластичната сила е насочена в посока, обратна на посоката на изместване на частиците. Ако деформацията спре, еластичната сила изчезва.

Английският физик Робърт Хук, съвременник на Нютон, открива закон, установяващ връзката между силата на еластичност и деформацията на тялото.

Когато тялото се деформира, възниква еластична сила, която е правопропорционална на удължението на тялото и има посока, обратна на движението на частиците по време на деформация.

Е = к ∆ л ,

Където Да се е твърдостта на тялото или коефициентът на еластичност;

∆ л - размерът на деформацията, показващ размера на удължението на тялото под въздействието на еластични сили.

Законът на Хук е валиден за еластични деформации, когато удължението на тялото е малко и тялото възстановява първоначалните си размери след изчезване на силите, които са причинили тази деформация.

Ако деформацията е голяма и тялото не възвръща първоначалната си форма, законът на Хук не важи. Примного големи деформации, настъпва разрушаване на тялото.

Сили на триене

Триенето възниква, когато едно тяло се движи по повърхността на друго. Има електромагнитна природа. Това е следствие от взаимодействието между атоми и молекули на съседни тела. Посоката на силата на триене е противоположна на посоката на движение.

Разграничете сухаИ течносттриене. Триенето се нарича сухо, ако между телата няма течен или газообразен слой.

Отличителна черта на сухото триене е статичното триене, което възниква, когато телата са в относителен покой.

Стойност сила на статично триеневинаги равна на големината на външната сила и насочена в обратна посока. Статичното триене пречи на тялото да се движи.

От своя страна сухото триене се разделя на триене приплъзванеи триене валцуване.

Ако величината на външната сила надвишава величината на силата на триене, тогава в този случай ще се появи приплъзване и едно от контактуващите тела ще започне да се движи напред спрямо другото тяло. И силата на триене ще бъде наречена сила на триене при плъзгане. Посоката му ще бъде противоположна на посоката на плъзгане.

Силата на триене при плъзгане зависи от силата, с която телата се притискат едно към друго, от състоянието на триещите се повърхности, от скоростта на движение, но не зависи от контактната площ.

Силата на триене при плъзгане на едно тяло върху повърхността на друго се изчислява по формулата:

Е тр. = k N ,

Където к- коефициент на триене при плъзгане;

н е нормалната сила на реакция, действаща върху тялото от повърхността.

Сила на триене при търкаляне възниква между тяло, което се търкаля върху повърхност и самата повърхност. Такива сили се появяват например, когато гумите на автомобил влизат в контакт с пътната настилка.

Стойността на силата на триене при търкаляне се изчислява по формулата

Където F t – сила на триене при търкаляне;

f е коефициентът на триене при търкаляне;

Р е радиусът на търкалящото се тяло;

н - сила на натиск.

Образуване на протогалактични облаци по-малко от около 1 милиард години след Големия взрив

Добре знаем за силата на гравитацията, която ни държи на земята и затруднява полета до Луната. И електромагнетизъм, благодарение на който не се разпадаме на отделни атоми и можем да включим лаптопите в контакта. Физикът говори за още две сили, които правят Вселената точно такава, каквато е.

От училищната скамейка всички знаем добре закона за всемирното привличане и закона на Кулон. Първият обяснява как масивни обекти като звезди и планети взаимодействат (привличат) един с друг. Другият показва (припомнете си опита с ебонитова пръчка) какви сили на привличане и отблъскване възникват между електрически заредени обекти.

Но това ли е целият набор от сили и взаимодействия, които определят външния вид на Вселената, която наблюдаваме?

Съвременната физика казва, че има четири типа основни (фундаментални) взаимодействия между частиците във Вселената. Вече споменах две от тях по-горе и изглежда, че всичко е просто с тях, защото техните проявления постоянно ни заобикалят в ежедневието: това е гравитационно и електромагнитно взаимодействие.

Така че, поради действието на първия, ние стоим здраво на земята и не отлитаме в открития космос. Вторият, например, осигурява привличането на електрон към протон в атомите, от които всички ние се състоим, и в крайна сметка привличането на атомите един към друг (т.е. той е отговорен за образуването на молекули, биологични тъкани, и т.н.). Така че именно поради силите на електромагнитното взаимодействие, например, се оказва, че не е толкова лесно да отсечеш главата на досаден съсед и за целта трябва да прибегнеш до помощта на брадва на различни импровизирани средства.

Но има и така нареченото силно взаимодействие. За какво отговаря? Бяхте ли изненадани в училище от факта, че въпреки твърдението на закона на Кулон, че два положителни заряда трябва да се отблъскват взаимно (само противоположните заряди се привличат), ядрата на много атоми тихо съществуват сами за себе си. Но те се състоят, както си спомняте, от протони и неутрони. Неутроните са неутрони, защото са неутрални и нямат електрически заряд, но протоните са положително заредени. И какви сили, пита се, могат да държат заедно (на разстояние една трилионна от микрона - което е хиляда пъти по-малко от самия атом!) Няколко протона, които според закона на Кулон трябва да се отблъскват един друг с ужасна енергия?

Силно взаимодействие – осигурява привличане между частиците в ядрото; електростатично - отблъскване

Тази наистина титанична задача за преодоляване на силите на Кулон се поема от силното взаимодействие. Така че, нито повече, нито по-малко, благодарение на това, протоните (както, всъщност, неутроните) в ядрото все още се привличат един към друг. Между другото, самите протони и неутрони също се състоят от още по-"елементарни" частици - кварки. Така че кварките също си взаимодействат и се привличат един към друг "силно". Но, за щастие, за разлика от същото гравитационно взаимодействие, което работи и на космически разстояния от много милиарди километри, силното взаимодействие е, както се казва, с малък обсег. Това означава, че полето "силно привличане" около един протон работи само в малки мащаби, сравними всъщност с размера на ядрото.

Следователно, например, протон, който се намира в ядрото на един от атомите, не може, след като му пукаше за отблъскването на Кулон, да вземе и „силно“ да привлече протон от съседен атом към себе си. В противен случай цялата протонна и неутронна материя във Вселената може да бъде "привлечена" към общия център на масата и да образува едно огромно "суперядро". Нещо подобно обаче се случва в дебелината на неутронните звезди, в една от които, както можете да очаквате, един ден (след около пет милиарда години) нашето Слънце ще се свие.

И така, четвъртото и последно от основните взаимодействия в природата е така нареченото слабо взаимодействие. Не напразно е наречен така: не само че работи дори на разстояния, дори по-къси от силното взаимодействие, но и мощността му е много малка. Така че, за разлика от силния си "брат", кулоновото отблъскване, той няма да пренатегне по никакъв начин.

Ярък пример, демонстриращ слабостта на слабите взаимодействия, са частиците, наречени неутрино (може да се преведе като "малък неутрон", "неутрон"). Тези частици по своята същност не участват в силни взаимодействия, нямат електрически заряд (и следователно не са податливи на електромагнитни взаимодействия), имат незначителна маса дори по стандартите на микросвета и следователно са практически нечувствителни към гравитацията всъщност са способни само на слаби взаимодействия.

Какво? Неутриното минава през мен?!

В същото време във Вселената се генерират неутрино в наистина колосални количества и огромен поток от тези частици постоянно прониква в дебелината на Земята. Например в обема на кибритена кутия има средно 20 неутрино във всеки момент от време. По този начин човек може да си представи огромен варел от детектор за вода, за който писах в последния си пост, и невероятното количество неутрино, което прелита през него във всеки един момент. Така че учените, работещи върху този детектор, обикновено трябва да чакат с месеци за такъв щастлив повод, така че поне едно неутрино да „почувства“ своя варел и да взаимодейства в него със своите слаби сили.

Въпреки това, въпреки своята слабост, това взаимодействие играе много важна роля във Вселената и в човешкия живот. И така, именно това е отговорно за един от видовете радиоактивност - а именно бета-разпадът, който е вторият (след гама-радиоактивността) по отношение на степента на опасност от въздействието му върху живите организми. И, не по-малко важно, без слабо взаимодействие би било невъзможно термоядрените реакции да протичат във вътрешността на много звезди и да са отговорни за освобождаването на енергия от звездата.

Това са четирите конника на Апокалипсиса на фундаменталните взаимодействия, които управляват Вселената: силно, електромагнитно, слабо и гравитационно.

Кои са основните сили на природата? На какъв принцип се изграждат фундаменталните взаимодействия? Възможно ли е съществуването на ново фундаментално взаимодействие? На тези и други въпроси отговаря докторът на физико-математическите науки Дмитрий Казаков.

От училищната физика се сблъскваме с понятието "сила". Силите са различни: има сила на привличане, сила на триене, сила на търкаляне, еластична сила. Има много различни сили. Не всички от тези сили са фундаментални - много често силата е вторичен феномен. Например силата на триене е вторично явление – всъщност това е взаимодействието на молекулите. И дори взаимодействието на молекулите може да бъде вторично. Например в молекулярната физика има сили на Ван дер Ваалс. Тези сили са вторична последица от електромагнитните взаимодействия.

Бих искал да стигна до дъното на най-фундаменталната сила: кои са фундаменталните сили в природата, които определят всичко, от които са изградени всички вторични сили? Електромагнитните сили или електрическите сили са основните сили, както ги разбираме днес. Законът на Кулон, известен още от училищната физика, е основен закон, но има собствено обобщение, следва от уравненията на Максуел. Уравненията на Максуел описват като цяло всички електрически и магнитни сили в природата, следователно електромагнитните взаимодействия са основните природни сили.

Друг пример за основните сили на природата е гравитацията. От училище е известен законът на Нютон за всемирното привличане, който сега е обобщен в уравненията на Айнщайн - сега имаме теорията на Айнщайн за гравитацията. Силата на гравитацията също е фундаментално взаимодействие в природата. И някога изглеждаше, че съществуват само тези две фундаментални сили. Но по-късно разбраха, че това не е така. По-специално, когато беше открито атомното ядро ​​и възникна проблемът да се разбере защо частиците се задържат вътре в ядрото и не се разлитат, беше въведена концепцията за ядрените сили. Тези ядрени сили са измерени, разбрани, описани. Но по-късно се оказа, че те също са нефундаментални - ядрените сили в известен смисъл приличат на силите на Ван дер Ваалс.

Истински фундаменталните сили, които осигуряват силното взаимодействие, са силите между кварките. взаимодействат помежду си и като вторичен ефект протоните и неутроните в ядрото взаимодействат помежду си. Фундаменталното взаимодействие е взаимодействието на кварките чрез обмен на глуони – това е третата фундаментална сила в природата.

Но историята не свършва и дотук. Оказва се, че разпадът на елементарните частици - а всички тежки частици се разпадат на по-леки - се описва от ново взаимодействие, което се нарича слабо взаимодействие. Слабо - защото силата на това взаимодействие е значително по-слаба от електромагнитните сили. Но се оказа, че теорията за слабото взаимодействие, която първоначално съществуваше и описваше много добре всички разпади, не работи добре с нарастваща енергия и беше заменена от нова теория за слабото взаимодействие, която се оказа напълно универсална и изградена на същия принцип, на който са изградени всички останали.взаимодействия.

В съвременния свят има четири фундаментални взаимодействия и ще говоря и за петото.

Четири основни взаимодействия - електромагнитно, силно, слабо и гравитационно - са изградени на същия принцип.

Този принцип е, че силата между частиците възниква поради обмена на някакъв медиатор, носител на взаимодействие.

Електромагнитното взаимодействие се основава на обмена на квант светлина или квант електромагнитни вълни - това е фотон. Фотонът е безмасова частица, заредените частици го обменят и поради този обмен възникват взаимодействия между частиците, сила между частиците, законът на Кулон също се описва по този начин.

Другото взаимодействие е силно. Има и посредник, частица, обменена между кварките. Тези частици се наричат ​​глуони, има осем от тях, това също са безмасови частици.

Третата частица, третото взаимодействие, е слабото взаимодействие и тук също частиците, които се наричат ​​междинни векторни бозони, действат като посредник. Тези частици - техните парчета - са масивни, тоест доста тежки. Тази маса, гравитацията на тези частици, обяснява защо слабото взаимодействие е толкова слабо.

Четвъртото взаимодействие е гравитационно и се осъществява чрез обмен на квант от гравитационното поле, т.нар. Гравитонът все още не е експериментално открит, все още не го усещаме и не знаем как да го опишем.

Всички взаимодействия са акт на обмяна на някои частици. Тук се връщаме към. Всяко взаимодействие е свързано със симетрия. Симетрията показва колко са тези частици и каква е тяхната маса. Ако симетрията е точна, масата е нула. Фотонът има маса 0, глуонът има маса 0. Ако симетрията е нарушена, масата е различна от нула. Междинните векторни бозони имат ненулева маса, там симетрията е нарушена. Гравитационната симетрия не е нарушена - гравитонът също има маса 0.

Тези четири основни взаимодействия обясняват всичко, което виждаме. Всички други сили са вторичен ефект от тези взаимодействия. Но през 2012 г. беше открита нова частица, която стана много известна - това е т.нар. Хигс бозонът е и носител на взаимодействието между кварките и между лептоните. Затова сега е уместно да се каже, че се е появила пета сила, чийто носител е бозонът на Хигс. И тук симетрията е нарушена – Хигс бозонът е масивна частица. Така броят на фундаменталните взаимодействия - във физиката на елементарните частици думата обикновено се използва не "сила", а "взаимодействие" - достигна пет.

Има ли нови взаимодействия? Ние наистина не знаем. Във физиката на елементарните частици няма други взаимодействия, има само пет. Но е възможно моделът, който сега разглеждаме и идеално описва всички експериментални данни и всички явления, които наблюдаваме в света, все още да е незавършен и тогава може би ще се появят някои нови сили и нови взаимодействия. Например, ако има така наречените, тоест ако има нова симетрия в природата, тогава тази нова симетрия ще доведе до появата на нови частици, които са медиатори между други частици, като по този начин създава нова фундаментална сила. Следователно тази възможност все още остава.

Интересното е, че всяко ново взаимодействие винаги води до някакво ново явление. Да речем, ако нямаше слабо взаимодействие, нямаше да има разпад. Ако нямаше разпад, нямаше да наблюдаваме ядрени реакции. Ако нямаше ядрени реакции, Слънцето нямаше да свети. Ако Слънцето не грееше, животът не би могъл да съществува на Земята. Така че това взаимодействие се оказа жизненоважно за нас.

Ако нямаше силно взаимодействие, нямаше да има стабилни атомни ядра. Ако нямаше ядра, нямаше да има атоми. Ако нямаше атоми, нямаше да ни има и нас. Тоест, оказа се, че всички сили изглежда са необходими. Ето го електромагнитното взаимодействие: получаваме енергия от Слънцето - това са светлинните лъчи, които идват към нас от Слънцето. Без него Земята би била студена. Оказва се, че всички тези взаимодействия, които знаем, са необходими за нещо. Хигс взаимодействие с Хигс бозона. Фундаменталните частици придобиват маса чрез взаимодействие с полето на Хигс - човек също не може да живее без това. Не говоря за гравитационно взаимодействие – щяхме да отлетим от повърхността на планетата.

Всички взаимодействия, които са в природата и които сега са отворени, са жизненоважни за всичко, което разбираме и знаем, че съществува.

И какво би станало, ако имаше някакво ново взаимодействие, което все още не е открито? Ето още един пример: протонът в ядрото е стабилен и е много важно да е стабилен, иначе отново няма да има живот. Но експериментално животът на протона вече е ограничен - 1034 години. Това означава, че няма забрана за разпадане на протона, но това изисква нова сила и ново взаимодействие. Има теории, които предсказват разпадането на протона - те имат по-висока група на симетрия и имат нови взаимодействия, които не знаем. Дали е така е въпрос на експеримент.

Всички фундаментални взаимодействия вече са изградени на един принцип и в този смисъл съществува единство на природата. Понякога възниква въпросът: възможно ли е да се обясни по някакъв начин колко взаимодействия има в природата, тоест да се разбере защо са четири или защо са пет, а може би са още повече? Има различни версии за това как може да се обясни наличието на определен брой фундаментални взаимодействия. Такива теории често се наричат ​​теории за великото обединение. Тези теории комбинират различни видове взаимодействия в едно. Това е като растящо дърво: има един ствол, след което се разклонява и се получават различни клони.

Идеята е приблизително същата: има един корен на всички взаимодействия, един ствол и след това, в резултат на нарушаване на симетрията, този ствол започва да се разклонява и се образуват няколко фундаментални взаимодействия, които експериментално наблюдаваме. Тестването на тази хипотеза изисква физика при много високи енергии, които са недостъпни за съвременния експеримент и вероятно никога няма да бъдат. Но можете да заобиколите този проблем. В крайна сметка имаме естествен ускорител – това е Вселената. Някои процеси, протичащи във Вселената, ни позволяват да тестваме смели хипотези, че има един единствен корен на всички взаимодействия.

Друго много интересно предизвикателство при разбирането на взаимодействията в природата е да разберем как гравитацията е свързана с всички други взаимодействия. Гравитацията стои малко отделно, въпреки че принципът на изграждане на теорията е много подобен. По едно време Айнщайн се опита да изгради единна теория за гравитацията и електромагнетизма. Тогава изглеждаше много реално, но теорията така и не се случи. Сега знаем малко повече. Знаем, че все още има силно взаимодействие, слабо взаимодействие, следователно, ако сега изграждаме единна теория, изглежда, че трябва да включим всички тези взаимодействия заедно, но въпреки това такава единна теория все още не е създадена и досега не сме успели да обединим гравитацията с останалите взаимодействия. Всички взаимодействия, с изключение на гравитацията, се подчиняват на законите на квантовата физика - това е квантовата теория. Всички частици са кванти на определено поле. Квантовата гравитация все още не съществува, докато не може да бъде създадена. Каква е причината за това, което правим грешно, какво не разбираме - всичко това остава загадка. Но броят на фундаменталните взаимодействия, които вече са открити, предполага, че вероятно съществува някаква единна схема.