¿Qué son las interacciones fundamentales? Cuatro fuerzas físicas Fuerzas nucleares débiles.
¿Qué poderes conoces? gravedad, tensión del hilo, compresión de un resorte, colisión de cuerpos, fuerza de fricción, explosión, resistencia del aire y del medio, tensión superficial de un líquido, fuerzas de van der Waals, y la lista no termina ahí. ¡Pero todas estas fuerzas son derivadas de las cuatro fundamentales! Serán discutidos.
cuatro fuerzas
La base de los fundamentos de las leyes físicas son cuatro interacciones fundamentales, que son responsables de todos los procesos en el Universo. Si las partículas elementales pueden compararse con los ladrillos del ser, entonces las interacciones son una argamasa de cemento. Fuerte, electromagnético, débil y gravitacional: en este orden, de fuerte a débil, se consideran interacciones. No se pueden reducir a otros más simples, por eso se les llama fundamentales.
Antes de proceder a la descripción de las fuerzas, es necesario explicar qué significa la palabra interacción. Los físicos lo consideran como el resultado de un intercambio de ciertos intermediarios, se les suele llamar portadores de interacción.
Empecemos por lo más intenso. fuerte La interacción se descubrió en los años 30 del siglo pasado durante el período de investigación activa del átomo. Resultó que la integridad y la estabilidad de su núcleo están garantizadas precisamente por una interacción extremadamente fuerte. nucleones entre ellos mismos.
Nucleones(del lat. núcleo - núcleo) - el nombre general de protones y neutrones, los componentes principales del núcleo del átomo. Desde el punto de vista de la interacción fuerte, estas partículas son indistinguibles. El neutrón es más pesado que el protón en un 0,13%; esto resultó ser suficiente para convertirse en la única partícula elemental con una masa en reposo para la que se observó una interacción gravitatoria.
Los contenidos de los núcleos se atraen entre sí debido a cuantos especiales - mesones π, que son los portadores "oficiales" de la interacción fuerte. Tal fuerza nuclear es 1038 veces más intensa que la interacción más débil: la gravitacional. Si la fuerza fuerte desapareciera repentinamente, los átomos del universo se desintegrarían instantáneamente. Detrás de ellos, las moléculas, luego la materia, toda la realidad que nos rodea dejaría de existir, a excepción de las partículas elementales. Una característica interesante de sus "relaciones" es la acción de corto alcance: las partículas cargadas positivamente, los protones, se atraen entre sí solo cuando están en contacto directo.
Si los protones están a cierta distancia, entonces electromagnético una interacción en la que las partículas con carga similar se repelen y las partículas con carga opuesta se atraen. En el caso de partículas no cargadas, esta fuerza no surge - recordemos la famosa ley de Coulomb sobre cargas eléctricas puntuales inmóviles. Los portadores de las fuerzas electromagnéticas son los fotones, que proporcionan, entre otras cosas, la transferencia de la energía del Sol a nuestro planeta. La exclusión de esta fuerza amenaza a la Tierra con una congelación total. La interacción electromagnética es 1035 veces más fuerte que la gravitacional, es decir, solo 100 veces más débil que la nuclear.
La naturaleza ha proporcionado otra fuerza fundamental, caracterizada por una intensidad extremadamente baja y un radio de acción muy pequeño (menos que un núcleo atómico). Este débil interacción: sus portadores son bosones especiales cargados y neutros. La esfera de responsabilidad de las fuerzas débiles es principalmente la desintegración beta del neutrón, acompañada por la formación de un protón, un electrón y un (anti-)neutrino. Tales transformaciones están teniendo lugar activamente en el Sol, lo que determina la importancia de esta interacción fundamental para nosotros.
Gravedad (no)explorada
Todas las fuerzas descritas se han estudiado con suficiente detalle y se han integrado orgánicamente en la imagen física del mundo. Sin embargo, el último poder gravitacional, se distingue por una intensidad tan baja que todavía hay que adivinar su esencia.
La paradoja de la interacción gravitacional es que la sentimos cada segundo, pero no podemos fijar el portador de ninguna manera. Solo hay una suposición sobre la existencia de un hipotético cuanto de gravitón con la velocidad de la luz. Es capaz de interferencia y difracción, pero está privado de carga. Los científicos creen que cuando una partícula emite un gravitón, la naturaleza de su movimiento cambia, una situación similar se desarrolla con una partícula que recibe un cuanto. El nivel de desarrollo de la tecnología aún no nos permite "ver" el gravitón y estudiar sus propiedades con más detalle. La intensidad de la gravedad es 1025 veces menor que la interacción débil.
¡Cómo es que, dices, la fuerza de la gravedad no parece débil en absoluto! Estas son las propiedades únicas de la interacción fundamental No. 4. Por ejemplo, la universalidad: cualquier cuerpo con cualquier masa crea un campo gravitacional en el espacio que puede penetrar cualquier obstáculo. Además, la fuerza de la gravedad aumenta con la masa del objeto, una propiedad que es característica solo de esta interacción.
Por eso la Tierra, gigantesca en comparación con un hombre, crea un campo gravitatorio a su alrededor, que mantiene aire, agua, rocas y, por supuesto, un cascarón vivo en la superficie. Si se cancela la gravedad de una vez, la velocidad con la que tú y yo saldremos al espacio será de 500 m/s. Junto con la interacción electromagnética, la gravedad tiene un largo alcance. Por lo tanto, su papel en el sistema de cuerpos en movimiento del Universo es enorme. Incluso entre dos personas que se encuentran a una distancia considerable entre sí, existe una atracción gravitatoria microscópica.
La pistola de gravedad es un arma ficticia que crea un campo de gravedad local. El arma te permite tirar, levantar y lanzar objetos debido a la fuerza generada por el campo. Este concepto se utilizó por primera vez en el juego de computadora Half-life 2.
Imagine una peonza, fijada verticalmente en el centro de un marco anular, girando libremente alrededor de un eje horizontal. Este marco, llamémoslo interno, está, a su vez, fijo en un marco anular externo, que también gira libremente en un plano horizontal. El diseño alrededor de la parte superior se llama cardanes, y todo junto giroscopio.
En reposo, la parte superior del giroscopio gira pacíficamente en una posición vertical, pero tan pronto como las fuerzas externas, por ejemplo, la aceleración, intentan girar el eje de rotación de la parte superior, se vuelve perpendicular a este efecto. No importa cuánto intentemos girar la parte superior del giroscopio, seguirá girando en posición vertical. Los giroscopios más avanzados reaccionan incluso a la rotación de la Tierra, lo que fue demostrado por primera vez por el francés. Jean Bernard Foucault en 1851. Si equipamos un giroscopio con un sensor que lee la posición de la parte superior en relación con el marco, obtendremos un dispositivo de navegación preciso que nos permite rastrear el movimiento de un objeto en el espacio, por ejemplo, un avión.
Efectos gravitacionales
La gravedad puede jugar una mala pasada en objetos grandes y mucho más masivos en el espacio, mucho más masivos que la Tierra, como las estrellas en las últimas etapas de evolución. La fuerza de atracción comprime la estrella y en un momento determinado vence a la presión interna. Cuando el radio de tal objeto se vuelve menor que el gravitatorio, colapsar y la estrella se apaga. No sale más información de él, incluso los rayos de luz no pueden superar la gigantesca fuerza de atracción. Así es como nace un agujero negro.
Los planetas, objetos mucho más pequeños, tienen sus propias características gravitatorias. ¡Entonces, la Tierra, debido a su propia masa, dobla el espacio-tiempo y lo tuerce con su rotación! Estos fenómenos se denominan precesión geodésica y efecto gravitomagnético, respectivamente.
¿Qué es la precesión geodésica? Imagine que un objeto se mueve a lo largo de la órbita de nuestro planeta, en cuya superficie (en ingravidez) un trompo gira a gran velocidad. Su eje se desviará en la dirección del movimiento con una intensidad de 6,6 segundos de arco por año. La Tierra dobla el espacio-tiempo circundante con su masa, creando una especie de hueco en él.
efecto gravitomagnético(Efecto Lens-Thirring) ilustra bien la rotación de un palo en la miel espesa: arrastra una masa dulce viscosa, formando un remolino en espiral. Entonces, la Tierra, por rotación, hace girar el espacio-tiempo "miel" alrededor de su eje. Y esto lo fija nuevamente el eje de la parte superior, que se desvía hacia la rotación de la Tierra en unos microscópicos 0,04 segundos de arco por año.
Nuestro planeta con su gravedad afecta el tiempo y el espacio. Esta afirmación durante mucho tiempo fue solo una hipótesis de Einstein y sus seguidores, hasta que en 2004 los estadounidenses lanzaron el satélite Gravity Probe-B. El dispositivo giraba en la órbita polar de la Tierra y estaba equipado con los giroscopios más precisos del mundo, análogos complicados de trompos. La complejidad de estas obras maestras técnicas se evidencia por el hecho de que las irregularidades en las bolas del giroscopio no superaban los dos o tres átomos. Si estas esferas en miniatura se agrandan al tamaño de la Tierra, ¡entonces la altura de la irregularidad más grande no excederá los tres metros! Tales trucos eran necesarios para establecer experimentalmente la curvatura misma del espacio-tiempo. ¡Y después de 17 meses de trabajo en órbita, el equipo registró el desplazamiento de los ejes de rotación de cuatro supergiroscopios a la vez!
Durante el experimento Gravity Probe-B, se probaron dos efectos de la Teoría General de la Relatividad: la curvatura del espacio-tiempo (precesión geodésica) y la aparición de aceleración adicional cerca de cuerpos masivos (efecto gravitomagnético)
La gravedad tiene muchos otros efectos mucho más obvios. Por ejemplo, en nuestro cuerpo no hay un solo órgano que no se haya adaptado a la gravedad terrestre.
Por eso es tan inusual e incluso peligroso que una persona permanezca en un estado de ingravidez durante mucho tiempo: la sangre se redistribuye por todo el cuerpo de tal manera que ejerce una presión excesiva sobre los vasos del cerebro, y el los huesos finalmente se niegan a absorber las sales de calcio y se vuelven quebradizos, como una caña. Solo mediante una actividad física constante una persona puede protegerse parcialmente de las consecuencias de la ingravidez.
El campo gravitatorio de la Luna afecta a la Tierra y sus habitantes: todos conocen el flujo y reflujo de las mareas. Debido a la fuerza centrífuga, la Luna se aleja de nosotros 4 cm por año y la intensidad de las mareas disminuye inexorablemente. En el período prehistórico, la Luna estaba mucho más cerca de la Tierra y, en consecuencia, las mareas eran significativas. Quizás este fue el principal factor que predeterminó la aparición de organismos vivos en la tierra.
Aunque todavía no sabemos qué partícula es responsable de la gravedad, ¡podemos medirla! Para esto, se usa un dispositivo especial: gravímetro, con el que los geólogos trabajan activamente en la búsqueda de minerales.
En el espesor de la superficie terrestre, las rocas tienen densidades diferentes y, en consecuencia, variará su fuerza gravitacional. De esta forma se pueden determinar los yacimientos de hidrocarburos ligeros (petróleo y gas), así como rocas densas de minerales metálicos. Miden la fuerza de atracción, fijando el más mínimo cambio en la velocidad de caída libre de un cuerpo con una masa conocida o el golpe de un péndulo. Para esto, incluso introdujeron una unidad de medida especial: Gal (Gal) en honor a Galileo Galilei, quien fue el primero en la historia en determinar la fuerza de la gravedad midiendo la trayectoria de un cuerpo en caída libre.
Los estudios a largo plazo de la gravedad de la Tierra desde el espacio han permitido crear un mapa de las anomalías gravitatorias de nuestro planeta. Un fuerte aumento en la fuerza de la gravedad en un pedazo de tierra separado puede ser el presagio de un terremoto o una erupción volcánica.
El estudio de las interacciones fundamentales solo está ganando impulso. No se puede decir con certeza que solo hay cuatro fuerzas; puede haber cinco o diez. Los científicos están tratando de recopilar todas las interacciones bajo el "techo" de un modelo, pero aún falta mucho para su creación. Y el hipotético gravitón se convierte en el principal centro de gravedad. Los escépticos dicen que una persona nunca podrá arreglar este cuanto, ya que su intensidad es demasiado baja, pero los optimistas creen en el futuro de las tecnologías y los métodos de la física. Espera y verás.
Fuerza- una cantidad física vectorial, que es una medida de la intensidad del impacto en un cuerpo dado de otros cuerpos, así como de campos. La fuerza aplicada a un cuerpo masivo es la causa de un cambio en su velocidad o de la ocurrencia de deformaciones en él.
En la ciencia moderna, se distinguen 4 tipos de interacciones. Dos de ellos, que se consideran en mecánica, se denominan gravitacional Y electromagnético. Corresponden a fuerzas que no se pueden reducir a otras más simples, por lo que se denominan fundamental. Dos más: fuerte y débil son nucleares. Fuerza de atracción y g. Deformación - este es un cambio en el tamaño o la forma de un cuerpo bajo la influencia de otros cuerpos. Como se sabe por el curso de física escolar, todos los cuerpos están formados por cargas eléctricas. Cuando los cuerpos se deforman, las distancias entre las cargas cambian y esto, a su vez, conduce a un desequilibrio entre las fuerzas de atracción y repulsión entre las cargas. Cuando un cuerpo se estira, predominan las fuerzas de atracción entre las cargas y el cuerpo "resiste" el estiramiento; de manera similar, cuando se comprime, predominan las fuerzas de repulsión. Ley de Hooke. Fuerza de reacción de soporte y fuerza de tensión de suspensión. EN peso corporal Se denomina fuerza con la que el cuerpo actúa sobre el soporte o suspensión. Cuando un cuerpo interactúa con un soporte o suspensión, el propio cuerpo se deforma, lo que da lugar a la aparición de una fuerza elástica que actúa sobre el soporte o suspensión. Las fuerzas del peso y la reacción del soporte están interconectadas según la tercera ley de Newton. Existe una igualdad similar para un cuerpo suspendido. T=R. Fuerza de fricción.
En el marco de la mecánica clásica, la interacción gravitacional está descrita por la ley de gravitación universal de Newton, que establece que la fuerza de atracción gravitacional entre dos puntos materiales de masa y , separados por una distancia, es proporcional a ambas masas e inversamente proporcional a la cuadrado de la distancia - es decir:
La interacción electromagnética existe entre partículas que tienen carga eléctrica. Desde el punto de vista moderno, la interacción electromagnética entre partículas cargadas no se realiza directamente, sino únicamente a través del campo electromagnético.
La interacción fuerte involucra quarks y gluones y partículas compuestas por ellos, llamadas hadrones (bariones y mesones). Opera en escalas del orden del tamaño del núcleo atómico o menos, siendo responsable de la conexión entre los quarks en los hadrones y de la atracción entre los nucleones (una especie de bariones - protones y neutrones) en los núcleos.
Interacción débil, o fuerza nuclear débil- una de las cuatro interacciones fundamentales en la naturaleza. Es responsable, en particular, del núcleo de desintegración beta. Esta interacción se denomina débil, ya que las otras dos interacciones significativas para la física nuclear (fuerte y electromagnética) se caracterizan por una intensidad mucho mayor. Sin embargo, es mucho más fuerte que la cuarta de las interacciones fundamentales, la gravitatoria. La interacción débil es de corto alcance: se manifiesta a distancias mucho más pequeñas que el tamaño del núcleo atómico.
Hay cuatro tipos de fuerzas en la naturaleza: gravitacional, electromagnética, nuclear y débil.
fuerzas gravitatorias, o fuerza gravitacional, operar entre todos los cuerpos. Pero estas fuerzas son perceptibles si al menos uno de los cuerpos tiene dimensiones acordes con las dimensiones de los planetas. Las fuerzas de atracción entre cuerpos ordinarios son tan pequeñas que pueden despreciarse. Por lo tanto, las fuerzas gravitatorias pueden considerarse las fuerzas de interacción entre los planetas, así como entre los planetas y el Sol u otros cuerpos que tienen una masa muy grande. Estos pueden ser estrellas, satélites de planetas, etc.
Fuerzas electromagnéticas actúan entre cuerpos que tienen carga eléctrica.
fuerzas nucleares(fuertes) son los más poderosos en la naturaleza. Actúan en el interior de los núcleos de los átomos a distancias de 10 -13 cm.
fuerzas débiles, al igual que los nucleares, actúan a pequeñas distancias del orden de 10 -15 cm Como resultado de su acción, se producen procesos en el interior del núcleo.
La mecánica considera las fuerzas gravitatorias, las fuerzas elásticas y las fuerzas de fricción.
Fuerzas gravitatorias
La gravedad se describe la ley de la gravitación universal. Esta ley fue delineado por Newton en el medio XVII v en Principios Matemáticos de la Filosofía Natural.
Gravedadllama la fuerza gravitacional con la que cualquier partícula material se atrae entre sí.
La fuerza con la que las partículas materiales se atraen entre sí es directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. .
GRAMO - constante gravitatoria, numéricamente igual al módulo de la fuerza gravitatoria con la que un cuerpo de masa unitaria actúa sobre un cuerpo de igual masa unitaria y situado a una unidad de distancia de él.
GRAMO \u003d 6.67384 (80) 10 −11 m 3 s −2 kg −1, o N m² kg −2.
En la superficie de la Tierra, la fuerza gravitacional (fuerza gravitacional) se manifiesta en forma gravedad.
Vemos que cualquier objeto lanzado en dirección horizontal sigue cayendo. Cualquier objeto lanzado hacia arriba también cae. Esto se debe a la fuerza de gravedad que actúa sobre cualquier cuerpo material situado cerca de la superficie de la Tierra. La gravedad actúa sobre los cuerpos y sobre las superficies de otros cuerpos astronómicos. Esta fuerza siempre se dirige verticalmente hacia abajo.
Bajo la influencia de la gravedad, el cuerpo se mueve hacia la superficie del planeta con una aceleración llamada aceleración de caída libre.
La aceleración de caída libre en la superficie de la Tierra se denota con la letra gramo .
pies = miligramos ,
por eso,
gramo = pies / metro
gramo \u003d 9,81 m / s 2 en los polos de la Tierra y en el ecuador gramo \u003d 9,78 m / s 2.
Al resolver problemas físicos simples, la cantidad gramo se considera igual a 9,8 m / s 2.
La teoría clásica de la gravitación es aplicable solo para cuerpos con una velocidad mucho menor que la velocidad de la luz.
fuerzas elásticas
Fuerzas de elasticidad Se llama a las fuerzas que surgen en el cuerpo como consecuencia de la deformación, provocando un cambio en su forma o volumen. Estas fuerzas siempre se esfuerzan por devolver el cuerpo a su posición original.
Durante la deformación, las partículas del cuerpo se desplazan. La fuerza elástica se dirige en la dirección opuesta a la dirección del desplazamiento de las partículas. Si la deformación cesa, la fuerza elástica desaparece.
El físico inglés Robert Hooke, contemporáneo de Newton, descubrió una ley que establecía una relación entre la fuerza de elasticidad y la deformación de un cuerpo.
Cuando el cuerpo se deforma, surge una fuerza elástica, que es directamente proporcional al alargamiento del cuerpo y tiene una dirección opuesta al movimiento de las partículas durante la deformación.
F = k ∆ yo ,
Dónde A es la rigidez del cuerpo, o coeficiente de elasticidad;
∆ yo - la cantidad de deformación, que muestra la cantidad de alargamiento del cuerpo bajo la influencia de fuerzas elásticas.
La ley de Hooke es válida para deformaciones elásticas cuando el alargamiento del cuerpo es pequeño y el cuerpo recupera sus dimensiones originales después de que desaparecen las fuerzas que causaron esta deformación.
Si la deformación es grande y el cuerpo no vuelve a su forma original, la ley de Hooke no se aplica. En deformaciones muy grandes, se produce la destrucción del cuerpo.
Fuerzas de fricción
La fricción ocurre cuando un cuerpo se mueve sobre la superficie de otro. Tiene una naturaleza electromagnética. Esto es consecuencia de la interacción entre átomos y moléculas de cuerpos adyacentes. La dirección de la fuerza de fricción es opuesta a la dirección del movimiento.
Distinguir seco Y líquido fricción. La fricción se llama seca si no hay una capa líquida o gaseosa entre los cuerpos.
Una característica distintiva de la fricción seca es la fricción estática, que ocurre cuando los cuerpos están en reposo relativo.
Valor fuerza de fricción estática siempre igual a la magnitud de la fuerza externa y dirigida en dirección opuesta. La fuerza de fricción estática evita que el cuerpo se mueva.
A su vez, la fricción seca se divide en fricción deslizar y fricción laminación.
Si la magnitud de la fuerza externa excede la magnitud de la fuerza de fricción, en este caso aparecerá un deslizamiento y uno de los cuerpos en contacto comenzará a moverse hacia adelante en relación con el otro cuerpo. Y la fuerza de rozamiento se llamará fuerza de fricción deslizante. Su dirección será opuesta a la dirección de deslizamiento.
La fuerza de fricción por deslizamiento depende de la fuerza con la que los cuerpos se presionan entre sí, del estado de las superficies de fricción, de la velocidad del movimiento, pero no depende del área de contacto.
La fuerza de fricción por deslizamiento de un cuerpo sobre la superficie de otro se calcula mediante la fórmula:
F tr. = k norte ,
Dónde k- coeficiente de fricción por deslizamiento;
norte es la fuerza de reacción normal que actúa sobre el cuerpo desde el lado de la superficie.
Fuerza de fricción de rodadura ocurre entre un cuerpo que rueda sobre una superficie y la superficie misma. Tales fuerzas aparecen, por ejemplo, cuando los neumáticos de un automóvil entran en contacto con la superficie de la carretera.
El valor de la fuerza de fricción de rodadura se calcula mediante la fórmula
Dónde pies – fuerza de rozamiento por rodadura;
F es el coeficiente de fricción por rodadura;
R es el radio del cuerpo rodante;
norte - fuerza de presión.
Formación de nubes protogalácticas menos de mil millones de años después del Big Bang
Somos muy conscientes de la fuerza de la gravedad que nos mantiene en el suelo y dificulta volar a la luna. Y el electromagnetismo, gracias al cual no nos desmoronamos en átomos individuales y podemos enchufar portátiles a la toma de corriente. El físico habla de dos fuerzas más que hacen que el Universo sea exactamente como es.
Desde el banco de la escuela, todos conocemos bien la ley de la gravitación universal y la ley de Coulomb. El primero explica cómo los objetos masivos como las estrellas y los planetas interactúan (se atraen) entre sí. El otro muestra (recordemos la experiencia con un palo de ebonita) qué fuerzas de atracción y repulsión surgen entre objetos cargados eléctricamente.
Pero, ¿es este todo el conjunto de fuerzas e interacciones que determinan la apariencia del Universo que observamos?
La física moderna dice que hay cuatro tipos de interacciones básicas (fundamentales) entre partículas en el Universo. Ya mencioné dos de ellos anteriormente, y parece que todo es simple con ellos, porque sus manifestaciones nos rodean constantemente en la vida cotidiana: esta es la interacción gravitacional y electromagnética.
Entonces, debido a la acción del primero, nos paramos firmemente en el suelo y no volamos al espacio exterior. El segundo, por ejemplo, asegura la atracción de un electrón a un protón en los átomos, de los que todos estamos formados, y, en última instancia, la atracción de los átomos entre sí (es decir, es responsable de la formación de moléculas, tejidos biológicos, etc.). Así que es precisamente por las fuerzas de la interacción electromagnética, por ejemplo, que resulta que no es tan fácil cortarle la cabeza a un vecino molesto, y para ello tenemos que recurrir a la ayuda de un hacha de varios medios improvisados.
Pero también existe la llamada interacción fuerte. ¿De qué es responsable? ¿Te sorprendió en la escuela el hecho de que, a pesar de la afirmación de la ley de Coulomb de que dos cargas positivas deben repelerse (solo las cargas opuestas se atraen), los núcleos de muchos átomos existen silenciosamente por sí mismos? Pero consisten, como recordarán, en protones y neutrones. Los neutrones son neutrones porque son neutros y no tienen carga eléctrica, pero los protones tienen carga positiva. Y qué tipo de fuerzas, uno se pregunta, pueden mantener juntos (a una distancia de una billonésima de micrón, ¡que es mil veces menor que el átomo mismo!) Varios protones, que, según la ley de Coulomb, deben repelerse entre sí con terrible energía?
Interacción fuerte: proporciona atracción entre partículas en el núcleo; repulsión electroestática
Esta tarea verdaderamente titánica de vencer las fuerzas de Coulomb es asumida por la interacción fuerte. Entonces, ni más ni menos, debido a esto, los protones (como, de hecho, los neutrones) en el núcleo todavía se atraen entre sí. Por cierto, los propios protones y neutrones también consisten en partículas aún más "elementales": los quarks. Entonces, los quarks también interactúan y se atraen entre sí "fuertemente". Pero, afortunadamente, a diferencia de la misma interacción gravitacional, que también funciona a distancias cósmicas de muchos miles de millones de kilómetros, la interacción fuerte es, como dicen, de corto alcance. Esto significa que el campo de "fuerte atracción" que rodea a un protón funciona solo en escalas diminutas, comparables, de hecho, con el tamaño del núcleo.
Por lo tanto, por ejemplo, un protón que se encuentra en el núcleo de uno de los átomos no puede, habiendo importado un comino la repulsión de Coulomb, tomar y atraer "fuertemente" un protón de un átomo vecino hacia sí. De lo contrario, toda la materia de protones y neutrones del Universo podría ser "atraída" hacia el centro de masa común y formar un enorme "supernúcleo". Algo similar, sin embargo, ocurre en el espesor de las estrellas de neutrones, en una de las cuales, como era de esperar, un día (unos cinco mil millones de años a partir de ahora) nuestro Sol se reducirá.
Entonces, la cuarta y última de las interacciones fundamentales en la naturaleza es la llamada interacción débil. No en vano se llama así: no solo funciona incluso a distancias incluso más cortas que la interacción fuerte, sino que además su potencia es muy pequeña. Entonces, a diferencia de su "hermano" fuerte, la repulsión de Coulomb, no se apretará demasiado de ninguna manera.
Un ejemplo sorprendente que demuestra la debilidad de las interacciones débiles son las partículas llamadas neutrinos (se puede traducir como "pequeño neutrón", "neutrón"). Estas partículas, por su naturaleza, no participan en interacciones fuertes, no tienen carga eléctrica (y por lo tanto no son susceptibles a interacciones electromagnéticas), tienen una masa insignificante incluso para los estándares del micromundo y, por lo tanto, son prácticamente insensibles a gravedad, de hecho, sólo son capaces de interacciones débiles.
¿Qué? ¿Los neutrinos pasan a través de mí?
Al mismo tiempo, los neutrinos se generan en el Universo en cantidades verdaderamente colosales, y una enorme corriente de estas partículas penetra constantemente en el espesor de la Tierra. Por ejemplo, en el volumen de una caja de fósforos, en promedio, hay 20 neutrinos en cada momento del tiempo. Por lo tanto, uno puede imaginar un enorme barril de detector de agua, sobre el cual escribí en mi última publicación, y la increíble cantidad de neutrinos que vuelan a través de él en un momento dado. Por lo tanto, los científicos que trabajan en este detector generalmente tienen que esperar meses para una ocasión tan feliz, para que al menos un neutrino "sienta" su barril e interactúe en él con sus fuerzas débiles.
Sin embargo, incluso a pesar de su debilidad, esta interacción juega un papel muy importante en el Universo y en la vida humana. Entonces, es el responsable de uno de los tipos de radiactividad, a saber, la desintegración beta, que es la segunda (después de la radiactividad gamma) en términos del grado de peligro de su efecto en los organismos vivos. Y, no menos importante, sin la interacción débil sería imposible que se produjeran reacciones termonucleares en el interior de muchas estrellas y que son responsables de la liberación de energía de la estrella.
Así son los cuatro jinetes del Apocalipsis de interacciones fundamentales que rigen el Universo: fuerte, electromagnético, débil y gravitacional.
¿Cuáles son las fuerzas fundamentales de la naturaleza? ¿Sobre qué principio se construyen las interacciones fundamentales? ¿Es posible la existencia de una nueva interacción fundamental? El Doctor en Ciencias Físicas y Matemáticas Dmitry Kazakov responde a estas y otras preguntas.
Desde la escuela de física, nos encontramos ante el concepto de “fuerza”. Las fuerzas son diferentes: hay una fuerza de atracción, una fuerza de fricción, una fuerza de rodadura, una fuerza elástica. Hay muchos poderes diferentes. No todas estas fuerzas son fundamentales, muy a menudo la fuerza es un fenómeno secundario. Por ejemplo, la fuerza de fricción es un fenómeno secundario; de hecho, es la interacción de las moléculas. E incluso la interacción de las moléculas puede ser secundaria. Por ejemplo, en física molecular existen fuerzas de van der Waals. Estas fuerzas son una consecuencia secundaria de las interacciones electromagnéticas.
Me gustaría llegar al fondo de la fuerza más fundamental: ¿cuáles son las fuerzas fundamentales de la naturaleza, que determinan todo, a partir de las cuales se construyen todas las fuerzas secundarias? Las fuerzas electromagnéticas, o fuerzas eléctricas, son las fuerzas fundamentales tal como las entendemos ahora. La ley de Coulomb, conocida desde la física escolar, es una ley fundamental, pero tiene su propia generalización, se deriva de las ecuaciones de Maxwell. Las ecuaciones de Maxwell describen en general todas las fuerzas eléctricas y magnéticas de la naturaleza, por lo que las interacciones electromagnéticas son las fuerzas fundamentales de la naturaleza.
Otro ejemplo de las fuerzas fundamentales de la naturaleza es la gravedad. De la escuela se conoce la ley de la gravitación universal de Newton, que ahora se ha generalizado en las ecuaciones de Einstein - ahora tenemos la teoría de la gravitación de Einstein. La fuerza de gravedad es también una interacción fundamental en la naturaleza. Y una vez pareció que solo existían estas dos fuerzas fundamentales. Pero luego se dieron cuenta de que no era así. En particular, cuando se descubrió el núcleo atómico y surgió el problema de entender por qué las partículas se mantienen dentro del núcleo y no se separan, se introdujo el concepto de fuerzas nucleares. Estas fuerzas nucleares han sido medidas, entendidas, descritas. Pero luego resultó que tampoco son fundamentales: las fuerzas nucleares en cierto sentido se parecen a las fuerzas de Van der Waals.
Las fuerzas verdaderamente fundamentales que aseguran la interacción fuerte son las fuerzas entre los quarks. interactúan entre sí, y como efecto secundario, los protones y neutrones en el núcleo interactúan entre sí. La interacción fundamental es la interacción de los quarks a través del intercambio de gluones: esta es la tercera fuerza fundamental de la naturaleza.
Pero la historia tampoco termina ahí. Resulta que las desintegraciones de las partículas elementales, y todas las partículas pesadas se descomponen en otras más ligeras, se describen mediante una nueva interacción, que se denomina interacción débil. Débil: porque la fuerza de esta interacción es notablemente más débil que las fuerzas electromagnéticas. Pero resultó que la teoría de la interacción débil, que existía originalmente y describía muy bien todas las desintegraciones, no funcionó bien con el aumento de la energía, y fue reemplazada por una nueva teoría de la interacción débil, que resultó ser completamente universal y construida sobre el mismo principio sobre el que se construyen todas las demás.
Hay cuatro interacciones fundamentales en el mundo moderno, y también hablaré de la quinta.
Cuatro interacciones fundamentales - electromagnética, fuerte, débil y gravitatoria - se basan en el mismo principio.
Este principio es que la fuerza entre partículas surge debido al intercambio de algún mediador, el portador de la interacción.
La interacción electromagnética se basa en el intercambio de un cuanto de luz o un cuanto de ondas electromagnéticas: esto es un fotón. Un fotón es una partícula sin masa, las partículas cargadas lo intercambian, y debido a este intercambio surgen interacciones entre partículas, una fuerza entre partículas, la ley de Coulomb también se describe de esta manera.
La otra interacción es fuerte. También hay un intermediario, una partícula intercambiada entre quarks. Estas partículas se llaman gluones, hay ocho de ellos, también son partículas sin masa.
La tercera partícula, la tercera interacción, es la interacción débil, y aquí también las partículas, que se llaman bosones vectoriales intermedios, actúan como intermediarios. Estas partículas, sus piezas, son masivas, es decir, bastante pesadas. Esta masa, la gravedad de estas partículas, explica por qué la interacción débil es tan débil.
La cuarta interacción es gravitatoria, y se lleva a cabo intercambiando un cuanto del campo gravitatorio, se llama. El gravitón aún no se ha descubierto experimentalmente, todavía no lo sentimos y no sabemos cómo describirlo.
Todas las interacciones son un acto de intercambio de algunas partículas. Aquí volvemos a. Cualquier interacción está asociada con la simetría. La simetría dice cuántas de esas partículas y cuál es su masa. Si la simetría es exacta, la masa es cero. Un fotón tiene una masa de 0, un gluón tiene una masa de 0. Si se rompe la simetría, la masa es distinta de cero. Los bosones vectoriales intermedios tienen una masa distinta de cero, la simetría se rompe allí. La simetría gravitacional no se rompe: el gravitón también tiene una masa de 0.
Estas cuatro interacciones fundamentales explican todo lo que vemos. Todas las demás fuerzas son un efecto secundario de estas interacciones. Pero en 2012, se descubrió una nueva partícula que se hizo muy famosa: esta es la llamada . El bosón de Higgs también es el portador de la interacción entre los quarks y entre los leptones. Por lo tanto, ahora es apropiado decir que ha aparecido una quinta fuerza, cuyo portador es el bosón de Higgs. Aquí también se rompe la simetría: el bosón de Higgs es una partícula masiva. Por lo tanto, el número de interacciones fundamentales (en física de partículas, la palabra generalmente no se usa como "fuerza", sino como "interacción") ha llegado a cinco.
¿Hay nuevas interacciones? Realmente no lo sabemos. En la física de partículas elementales no hay otras interacciones, solo hay cinco. Pero es posible que el modelo que ahora estamos considerando y que describe perfectamente todos los datos experimentales y todos los fenómenos que observamos en el mundo aún esté incompleto, y entonces, tal vez, aparecerán algunas nuevas fuerzas y nuevas interacciones. Por ejemplo, si existen los llamados , es decir, si existe una nueva simetría en la naturaleza, entonces esta nueva simetría implicará la aparición de nuevas partículas que son mediadoras entre otras partículas, creando así una nueva fuerza fundamental. Por lo tanto, esta posibilidad aún permanece.
Curiosamente, cualquier nueva interacción siempre conduce a algún fenómeno nuevo. Digamos, si no hubiera una interacción débil, no habría descomposición. Si no hubiera descomposición, no observaríamos reacciones nucleares. Si no hubiera reacciones nucleares, el Sol no brillaría. Si el Sol no brillara, la vida no podría existir en la Tierra. Así que tener esa interacción resultó ser vital para nosotros.
Si no hubiera una interacción fuerte, no habría núcleos atómicos estables. Si no hubiera núcleos, no habría átomos. Si no hubiera átomos, no seríamos nosotros. Es decir, resultó que todas las fuerzas parecen ser necesarias. Aquí está la interacción electromagnética: recibimos energía del Sol; estos son los rayos de luz que nos llegan del Sol. Sin él, la Tierra estaría fría. Resulta que todas esas interacciones que sabemos son necesarias para algo. Interacción de Higgs con el bosón de Higgs. Las partículas fundamentales ganan masa al interactuar con el campo de Higgs; tampoco se puede vivir sin esto. No estoy hablando de interacción gravitatoria: volaríamos lejos de la superficie del planeta.
Todas las interacciones que están en la naturaleza que ahora están abiertas son vitales para que todo lo que entendemos y sabemos exista.
¿Y qué pasaría si hubiera alguna interacción nueva que aún no se ha descubierto? Aquí hay otro ejemplo: el protón en el núcleo es estable, y es muy importante que sea estable, de lo contrario, de nuevo, no habría vida. Pero experimentalmente, la vida útil del protón ahora es limitada: 1034 años. Esto significa que no hay prohibición para que el protón se desintegre, pero esto requiere una nueva fuerza y una nueva interacción. Hay teorías que predicen la descomposición del protón: tienen un grupo de simetría más alto y tienen nuevas interacciones que no conocemos. Si es así es cuestión de experimentar.
Todas las interacciones fundamentales ahora se basan en un solo principio, y en este sentido hay una unidad de naturaleza. A veces surge la pregunta: ¿es posible explicar de alguna manera cuántas interacciones hay en la naturaleza, es decir, entender la razón por la que hay cuatro o por qué hay cinco, y tal vez todavía hay más? Hay diferentes versiones de cómo se podría explicar la presencia de un cierto número de interacciones fundamentales. Estas teorías a menudo se denominan teorías de la Gran Unificación. Estas teorías combinan varios tipos de interacciones en una sola. Es como un árbol que crece: hay un solo tronco, luego se ramifica y se obtienen varias ramas.
La idea es más o menos la misma: hay una sola raíz de todas las interacciones, un solo tronco, y luego, como resultado de la ruptura de la simetría, este tronco comienza a ramificarse y se forman varias interacciones fundamentales, que observamos experimentalmente. Probar esta hipótesis requiere física a muy altas energías, que son inaccesibles para los experimentos modernos y probablemente nunca lo serán. Pero puedes solucionar este problema. Al final, tenemos un acelerador natural: este es el Universo. Algunos procesos que ocurren en el Universo nos permiten probar hipótesis audaces de que existe una única raíz para todas las interacciones.
Otro desafío muy interesante para comprender las interacciones en la naturaleza es comprender cómo se relaciona la gravedad con todas las demás interacciones. La gravedad se mantiene algo aparte, aunque el principio de construcción de la teoría es muy similar. En un momento, Einstein trató de construir una teoría unificada de la gravedad y el electromagnetismo. Entonces parecía muy real, pero la teoría nunca sucedió. Ahora sabemos un poco más. Sabemos que todavía hay una interacción fuerte, una interacción débil, por lo tanto, si ahora estamos construyendo una teoría unificada, parecería que necesitamos incluir todas estas interacciones juntas, pero sin embargo, tal teoría unificada aún no se ha creado. , y hasta el momento no hemos podido unificar la gravedad con el resto de interacciones. Todas las interacciones, excepto la gravedad, obedecen las leyes de la física cuántica: esta es la teoría cuántica. Todas las partículas son cuantos de un determinado campo. La gravedad cuántica aún no existe hasta que pueda ser creada. ¿Cuál es la razón de lo que hacemos mal, lo que no entendemos? Todo esto sigue siendo un misterio. Pero el número de interacciones fundamentales que ya se han descubierto sugiere que probablemente exista algún tipo de esquema unificado.
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