Что такое фундаментальные взаимодействия? Четыре физические силы Слабые ядерные силы.

Какие силы вы знаете? Силу тяжести, натяжения нити, сжатия пружины, столкновения тел, силу трения, взрыва, сопротивления воздуха и среды, поверхностного натяжения жидкости, силы Ван-дер-Ваальса — и на этом список вовсе не заканчивается. Но все эти силы — производные четырёх фундаментальных! О них и пойдёт речь.

Четыре силы

Основой основ физических законов являются четыре фундаментальных взаимодействия , которые отвечают за все процессы во Вселенной. Если элементарные частицы можно сравнить с кирпичиками бытия, то взаимодействия — это цементный раствор. Сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное — именно в таком порядке, от сильного к слабому, рассматриваются взаимодействия. Их нельзя свести к более простым — поэтому они и называются фундаментальными.

Прежде чем приступать к описанию сил, необходимо объяснить, что подразу­мевается под словом взаимодействие. Физики рассматривают его как результат обмена некими посредниками, их принято называть переносчиками взаимодействия .

Начнём с самого интенсивного. Сильное взаимодействие было открыто в 30‑х годах прошлого столетия в период активного исследования атома. Оказалось, что целостность и стабильность его ядра как раз и обеспечивается чрезвычайно сильным взаимодействием нуклонов между собой.

Нуклоны (от лат. nucleus — ядро) — ­общее название для протонов и нейтронов, главных компонентов ядра атома. С точки зрения сильного взаимодействия эти частицы неразличимы. Нейтрон тяжелее протона на 0,13% — это оказалось достаточно, чтобы стать единственной из имеющих массу покоя элементарных частиц, для которой наблюдалось гравитационное взаимодействие.

Содержимое ядер притягивается друг к другу за счёт особых квантов — ­π-мезонов, являющихся «официальными» переносчиками сильного взаимодействия. Такая ядерная сила в 1038 раз интенсивнее самого слабого взаимодействия — гравитационного. Если бы сильное взаимодействие вдруг исчезло, атомы во Вселенной моментально распались бы. За ними молекулы, далее вещество — вся окружающая нас действительность перестала бы существовать, за исключением элементарных частиц. Интересной особенностью их «взаимоотношений» является близкодействие: положительно заряженные частицы, протоны, притягиваются друг к другу только при непосредственном соприкосновении.

Если протоны удалены на некоторое расстояние друг от друга, возникает электро­магнитное взаимодействие, при котором одноимённо заряженные частицы отталкиваются, а разноимённо заряженные — притягиваются. В случае незаряженных частиц эта сила не возникает — вспомним знаменитый закон Кулона о неподвижных точечных электрических зарядах. Переносчиками электромагнитных сил являются фотоны, обеспечивающие помимо прочего перенос энергии Солнца к нашей планете. Исключение этой силы грозит Земле полным замерзанием. Электромагнитное взаимодействие сильнее гравитационного в 1035 раз, то есть всего в 100 раз слабее ядерного.

Природа предусмотрела ещё одну фундаментальную силу, отличающуюся исчезающе малой интенсивностью и очень незначительным радиусом действия (меньше атомного ядра). Это слабое взаимодействие — его переносчиками выступают особые заряженные и нейтральные бозоны. Сферой ответственности слабых сил является прежде всего бета-распад нейтрона, сопровождающийся образованием протона, электрона и (анти-)нейтрино. Подобные превращения активно идут на Солнце, что и определяет важность этого фундаментального взаимодействия для нас с вами.

(Не)изведанная гравитация

Все описанные силы достаточно подробно изучены и органично встроены в физическую картину мира. Однако последняя сила, гравитационная , отличается столь малой интенсивностью, что о её сущности до сих пор приходится гадать.

Парадоксальность гравитационного взаимодействия в том, что мы его ежесекундно ощущаем, но никак не можем зафиксировать переносчика. Есть лишь предположение о существовании гипотетического кванта гравитона, обладающего скоростью света. Он способен к интерференции и дифракции, но обделён зарядом. Учёные полагают, что, когда одна частица испускает гравитон, изменяется характер её движения, — аналогичная ситуация складывается с частицей, принимающей квант. Уровень развития техники пока не позволяет нам «увидеть» гравитон и более подробно изучить его свойства. Интенсивность гравитации в 1025 раз меньше слабого взаимодействия.

Как же так, скажете вы, сила притяжения совсем не кажется слабой! В этом и заключаются уникальные свойства фундаментального взаимодействия № 4. Например, универсальность — любое тело с любой массой создаёт в пространстве гравитационное поле, способное проникать сквозь любое препятствие. Причём сила гравитации увеличивается с массой объекта — свойство, характерное только для этого взаимодействия.

Вот почему гигантская по сравнению с человеком Земля создаёт вокруг себя гравитационное поле, удерживающее на поверхности воздух, воду, горные породы и, конечно, живую оболочку. Если одномоментно отменить гравитацию, скорость, с которой мы с вами отправимся в космос, составит 500 м/с. Наравне с электромагнитным взаимодействием гравитация обладает большой дальностью действия. Поэтому её роль в системе движущихся тел во Вселенной огромна. Даже между двумя людьми, находящимися на значительном расстоянии друг от друга, существует микроскопическое гравитационное притяжение.

Гравитационная пушка — вымышленное оружие, создающее локальное гравитационное поле. Оружие позволяет притягивать, поднимать и кидать предметы за счёт силы, генерируемой полем. Впервые эту концепцию использовали в компьютерной игре Half-life 2.

Представьте себе крутящийся волчок, вертикально закреп­лённый в центре кольцевой рамы, свободно вращающейся вокруг горизонтальной оси. Эта рама — назовём её внутренней — в свою очередь закреплена на внешней кольцевой раме, также свободно вращающейся в горизонтальной плоскости. Конструкция вокруг волчка получила название карданова подвеса , а всё вместе это гироскоп .

В состоянии покоя волчок в гироскопе мирно вращается в вертикальном положении, но как только внешние силы — например, ускорение — пытаются повернуть ось вращения волчка, он разворачивается перпендикулярно этому воздействию. Как бы мы ни старались повернуть волчок в гироскопе, он всё равно будет вращаться в вертикальном положении. Самые совершенные гироскопы реагируют даже на вращение Земли, что впервые продемонстрировал француз Жан Бернар Фуко в 1851 году. Если оснастить гироскоп датчиком, считывающим положение волчка относительно рамы, мы получим точное навигационное устройство, позволяющее отслеживать движение объекта в пространстве — например, самолёта.

Гравитационные эффекты

Гравитация может сыграть злую шутку с крупными, гораздо массивнее Земли, объектами в космосе — например, звёздами на поздних стадиях эволюции. Сила притяжения сжимает звезду и в определённый момент пересиливает внутреннее давление. Когда радиус такого объекта становится меньше гравитационного, происходит коллапс , и звезда гаснет. От неё не исходит больше никакая информация, даже световые лучи не могут преодолеть гигантскую силу притяжения. Так рождается чёрная дыра.

У планет, объектов значительно более миниатюрных, свои гравитационные особенности. Так, Земля за счёт собственной ­массы искривляет пространство-­время и закручивает его своим вращением! Эти явления получили название геодезической прецессии и гравитомагнитного эффекта соответственно.

Что такое геодезическая прецессия? Представим, что по орбите нашей планеты движется объект, на поверхности которого (в невесомости) с большой скоростью вращается волчок. Его ось будет отклоняться в направлении движения с интенсивностью 6,6 угловой секунды в год. Земля искривляет своей массой окружающее пространство-время, со­здавая в нём подобие выемки.

Гравитомагнитный эффект (эффект Лензе — Тирринга) хорошо иллюстрирует вращение палочки в густом мёде: она увлекает за собой тягучую сладкую массу, образуя спиралевидное завихрение. Так и Земля вращением закручивает вокруг своей оси «медовое» пространство-­время. А фиксируется это опять-таки осью волчка, отклоняющегося в сторону вращения Земли на микроскопические 0,04 угловой секунды в год.

Наша планета своей гравитацией оказывает влияние на время и пространство. Это утверждение долгое время оставалось лишь гипотезой Эйнштейна и его последователей, пока в 2004 году американцы не запустили спутник Gravity Probe-B. Аппарат вращался по полярной орбите Земли и был оснащён точнейшими в мире гироскопами — усложнёнными аналогами волчков. О сложности этих технических шедевров говорит тот факт, что неровности на шариках гироскопов не превышали двух-трёх атомов. Если увеличить эти миниатюрные сферы до размеров Земли, то высота самой большой неровности не превысит трёх метров! Такие ухищрения понадобились, чтобы экспериментально установить то самое искривление пространства-времени. И после 17 месяцев работы на орбите оборудование зафиксировало смещение осей вращения сразу четырёх супергироскопов!

В ходе эксперимента Gravity Probe-B были доказаны два эффекта Общей теории относительности: искривление пространства-времени (геодезическая прецессия) и появление дополнительного ускорения вблизи массивных тел (гравитомагнитный эффект)

У гравитации есть масса других, гораздо более явных эффектов. Например, в нашем организме нет ни одного органа, который бы не был адаптирован к земному притяжению.

Именно поэтому человеку так непривычно и даже опасно длительное время находиться в состоянии невесомости: кровь перераспределяется по организму таким образом, что оказывает чрезмерное давление на сосуды головного мозга, а кости со временем отказываются усваи­вать соли кальция и становятся ломкими, как тростник. Только постоянными физическими нагрузками человек может частично оградить себя от последствий невесомости.

Гравитационное поле Луны оказывает влияние на Землю и её обитателей — о приливах-отливах знают все. За счёт центробежной силы Луна отдаляется от нас на 4 см в год, и интенсивность приливов неумолимо снижается. В доисторический период Луна была гораздо ближе к Земле, и, соответственно, приливы были значительными. Возможно, это стало главным фактором, предопределившим выход живых организмов на сушу.

Несмотря на то что мы до сих пор не знаем, какая частица отвечает за гравитацию, мы можем её измерить! Для этого используется специальный прибор — гравиметр , с которым активно работают геологи в поисках полезных ископаемых.

В толще земной поверхности горные породы имеют разную плотность, а следовательно, и сила гравитации у них будет различаться. Так можно определить месторождения лёгких углеводородов (нефти и газа), а также плотные породы металлических руд. Измеряют силу притяжения, фиксируя малейшие изменения скорости свободного падения тела с известной массой или хода маятника. Для этого даже ввели специальную единицу измерения — Гал (Gal) в честь Галилео Галилея , который первым в истории определил силу тяжести, замерив путь свободно падающего тела.

Многолетние исследования силы притяжения Земли из космоса позволили создать карту гравитационных аномалий нашей планеты. Резкое увеличение силы гравитации на отдельном участке суши может быть предвестником землетрясения или извержения вулкана.

Исследование фундаментальных взаи­модействий пока только набирает обороты. Нельзя сказать с уверенностью, что сил всего четыре, — их может быть и пять, и десять. Учёные пытаются собрать все взаимодействия под «крышей» одной модели, однако до её создания ещё ох как далеко. А главным центром притяжения становится гипотетический гравитон. Скептики утверждают, что человек никогда не сможет зафиксировать этот квант, так как его интенсивность слишком мала, но оптимисты верят в будущее технологий и методов физики. Поживём — увидим.

Си́ла - векторная физическая величина, являющаяся мерой интенсивности воздействия на данное тело других тел, а также полей. Приложенная к массивному телу сила является причиной изменения его скорости или возникновения в нём деформаций.

В современной науке выделяют 4 типа взаимодействий. Два из них, которые рассматриваются в механике, называются гравитационное и электромагнитное . Им соответствуют силы, которые нельзя свести к более простым, и поэтому они называются фундаментальными . Еще два: сильные и слабые являются ядерными. Сила притяжения и g. Деформация – это изменение размеров или формы тела под воздействием других тел. Как известно из курса школьной физики, все тела состоят из электрических зарядов. При деформации тел изменяются расстояния между зарядами, а это, в свою очередь, приводит к нарушению равновесия между силами притяжения и отталкивания между зарядами. При растяжении тела преобладают силы притяжения между зарядами и тело «сопротивляется» растяжению, аналогично, при сжатии преобладают силы отталкивания. Закон Гука. Сила реакции опоры и сила натяжения подвеса. Весом тела называют силу, с которой тело действует на опору или подвес. При взаимодействии тела с опорой или подвесом деформируется и само тело, что приводит к появлению силы упругости, действующей на опору или подвес. Силы веса и реакции опоры связаны между собой согласно третьему закону Ньютона. Аналогичное равенство имеется и для тела на подвесе. Т=Р. Сила трения.

В рамках классической механики гравитационное взаимодействие описывается законом всемирного тяготения Ньютона, который гласит, что сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы и , разделёнными расстоянием , пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния - то есть:

Электромагнитное взаимодействие существует между частицами, обладающими электрическим зарядом. С современной точки зрения электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами осуществляется не прямо, а только посредством электромагнитного поля.

В сильном взаимодействии участвуют кварки и глюоны и составленные из них частицы, называемые адронами (барионы и мезоны). Оно действует в масштабах порядка размера атомного ядра и менее, отвечая за связь между кварками в адронах и за притяжение между нуклонами (разновидность барионов - протоны и нейтроны) в ядрах.

Слабое взаимодействие , или слабое ядерное взаимодействие - одно из четырёх фундаментальных взаимодействий в природе. Оно ответственно, в частности, за бета-распадядра. Это взаимодействие называется слабым, поскольку два других взаимодействия, значимые для ядерной физики (сильное и электромагнитное), характеризуются значительно большей интенсивностью. Однако оно значительно сильнее четвёртого из фундаментальных взаимодействий, гравитационного. Слабое взаимодействие является короткодействующим - оно проявляется на расстояниях, значительно меньших размера атомного ядра.

В природе существует четыре типа сил: гравитационные, электромагнитные, ядерные и слабые.

Гравитационные силы, или силы тяготения, действуют между всеми телами. Но эти силы заметны, если хотя бы одно из тел имеет размеры, соизмеримые с размерами планет. Силы притяжения между обычными телами настолько малы, что ими можно пренебречь. Поэтому гравитационными можно считать силы взаимодействия между планетами, а также между планетами и Солнцем или другими телами, имеющими очень большую массу. Это могут быть звёзды, спутники планет и т.п.

Электромагнитные силы действуют между телами, имеющими электрический заряд.

Ядерные силы (сильные) являются самыми мощными в природе. Они действуют внутри ядер атомов на расстояниях 10 -13 см.

Слабые силы , как и ядерные, действуют на малых расстояниях порядка 10 -15 см. В результате их действия происходят процессы внутри ядра.

Механика рассматривает гравитационные силы, силы упругости и силы трения.

Гравитационные силы

Гравитация описывается законом всемирного тяготения. Этот закон был изложен Ньютоном в середине XVII в. в работе «Математические начала натуральной философии».

Гравитацией называют силу тяготения, с которой любые материальные частицы притягиваются друг у другу.

Сила, с которой материальные частицы притягиваются друг к другу, прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними .

G – гравитационная постоянная, численно равная модулю силы тяготения, с которой тело, имеющее единичную массу, действует на тело, имеющее такую же единичную массу и находящееся на единичном расстоянии от него.

G = 6,67384(80)·10 −11 м 3 ·с −2 ·кг −1 , или Н·м²·кг −2 .

На поверхности Земли сила гравитации (сила тяготения) проявляется в виде силы тяжести .

Мы видим, что любой предмет, брошенный в горизонтальном направлении, всё равно падает вниз. Падает вниз также и любой предмет, подброшенный вверх. Происходит это под действием силы тяжести, которая действует на любое материальное тело, находящееся вблизи поверхности Земли. Сила тяжести действует на тела и на поверхности других астрономических тел. Эта сила всегда направлена вертикально вниз.

Под действием силы тяжести тело движется к поверхности планеты с ускорением, которое называется ускорением свободного падения .

Ускорение свободного падения на поверхности Земли обозначается буквой g .

F t = mg ,

следовательно,

g = F t / m

g = 9, 81 м/с 2 на полюсах Земли, а на экваторе g = 9,78 м/с 2 .

При решении простых физических задач величину g принято считать равной 9,8 м/с 2 .

Классическая теория тяготения применима только для тел, имеющих скорость намного ниже скорости света.

Силы упругости

Силами упругости называются силы, которые возникают в теле в результате деформации, вызывающей изменение его формы или объёма. Эти силы всегда стремятся вернуть тело в его первоначальное положение.

При деформации происходит смещение частиц тела. Сила упругости направлена в сторону, противоположную направлению смещения частиц. Если деформация прекращается, сила упругости исчезает.

Английский физик Роберт Гук, современник Ньютона, открыл закон, устанавливающий связь между силой упругости и деформацией тела.

При деформации тела возникает сила упругости, прямо пропорциональная удлинению тела, и имеющая направление, противоположное перемещению частиц при деформации.

F = k ∆ l ,

где к – жёсткость тела, или коэффициент упругости;

∆ l – величина деформации, показывающая величину удлинения тела под воздействием сил упругости.

Закон Гука действует для упругих деформаций, когда удлинение тела мало, а тело восстанавливает свои первоначальные размеры после того, как исчезают силы, вызвавшие эту деформацию.

Если деформация велика, и тело не возвращается в свою исходную форму, закон Гука не применяется. При очень больших деформациях происходит разрушение тела.

Силы трения

Сила трения возникает, когда одно тело движется по поверхности другого. Она имеет электромагнитную природу. Это следствие взаимодействия между атомами и молекулами соприкасающихся тел. Направление силы трения противоположно направлению движения.

Различают сухое и жидкое трение. Сухим называют трение, если между телами нет жидкой или газообразной прослойки.

Отличительная особенность сухого трения – трение покоя, которое возникает при относительном покое тел.

Величина силы трения покоя всегда равна величине внешней силы и направлена в противоположную сторону. Сила трения покоя препятствует движению тела.

В свою очередь, сухое трение разделяется на трение скольжения и трение качения .

Если величина внешней силы превышает величину силы трения, то в этом случае появится проскальзывание, и одно из контактирующих тел начнёт поступательно перемещаться относительно другого тела. А сила трения будет называться силой трения скольжения . Её направление будет противоположно направлению скольжения.

Сила трения скольжения зависит от силы, с которой тела давят друг на друга, от состояния трущихся поверхностей, от скорости движения, но не зависит от площади соприкосновения.

Сила трения скольжения одного тела по поверхности другого вычисляется по формуле:

F тр. = k · N ,

где k – коэффициент трения скольжения;

N – сила нормальной реакции, действующая на тело со стороны поверхности.

Сила трения качения возникает между телом, которое перекатывается по поверхности, и самой поверхностью. Такие силы появляются, например, при соприкосновении шин автомобиля с дорожным покрытием.

Величина силы трения качения вычисляется по формуле

где F t – сила трения качения;

f – коэффициент трения качения;

R – радиус катящегося тела;

N – прижимающая сила.

Образование протогалактических облаков менее около 1 млрд лет после Большого Взрыва

Мы хорошо знаем силу гравитации, которая держит нас на земле и затрудняет полёт на Луну. И электромагнетизм, благодаря которому мы не распадаемся на отдельные атомы и можем включать в розетку ноутбуки. Физик рассказывает о ещё двух силах, делающих Вселенную именно такой, какая она есть.

Со школьной скамьи все мы хорошо знаем закон Всемирного тяготения и закон Кулона. Первый объясняет нам, как взаимодействуют (притягиваются) друг с другом массивные объекты типа звёзд и планет. Другой же показывает (вспомним опыт с эбонитовой палочкой), какие силы притяжения и отталкивания возникают между электрически заряженными предметами.

Но исчерпывается ли этим всё множество сил и взаимодействий, которые определяют облик наблюдаемой нами Вселенной?

Современная физика говорит о том, что во Вселенной существуют четыре типа основных (фундаментальных) взаимодействий между частицами. О двух из них я уже сказал выше и с ними, казалось бы, всё просто, т. к. проявления их постоянно окружают нас в повседневной жизни: это гравитационное и электромагнитное взаимодействие.

Так, за счёт действия первого мы крепко стоим на земле и не улетаем в открытый космос. Второе же, например, обеспечивает притяжение электрона к протону в атомах, из которых все мы состоим и, в конечном счёте, притяжение атомов друг к другу (т. е. оно ответственно за образование молекул, биологических тканей и т. д.). Так что именно из-за сил электромагнитного взаимодействия, например, оказывается, что снести голову надоевшему соседу не так уж просто, и с этой целью нам приходится прибегать к помощи топора разнообразных подручных средств.

Но есть ещё, так называемое, сильное взаимодействие. За что ответственно оно? Не удивлял ли вас в школе тот факт, что, несмотря на утверждение закона Кулона о том, что два положительных заряда должны отталкиваться друг от друга (лишь противоположные притягиваются), ядра многих атомов преспокойно существуют себе. А ведь состоят они, как вы помните, из протонов и нейтронов. Нейтроны - они на то и нейтроны, что нейтральны и электрического заряда не имеют, а вот протоны заряжены положительно. И что же, спрашивается, за силы, могут удержать вместе (на расстоянии в одну триллионную долю микрона - что в тысячу раз меньше самого атома!) несколько протонов, которые, по закону Кулона, должны со страшной энергией отталкиваться друг от друга?

Сильное взаимодействие - обеспечивает притяжение между частицами в ядре; электростатическое - отталкивание

Вот эту поистине титаническую задачу по преодолению Кулоновых сил берёт на себя сильное взаимодействие. Так что, ни много, ни мало, за счёт него протоны (как, впрочем, и нейтроны) в ядре всё же притягиваются друг к другу. Кстати, сами протоны и нейтроны также состоят из ещё более «элементарных» частиц - кварков. Так вот кварки также взаимодействуют и притягиваются друг к другу «сильно». Но, к счастью, в отличие от того же гравитационного взаимодействия, которое работает и на космических расстояниях во многие миллиарды километров, сильное взаимодействие является, как говорят, короткодействующим. Это означает, что поле «сильного притяжения», окружающее один протон работает лишь на крохотных масштабах, сопоставимых, собственно, с размерами ядра.

Поэтому, например, протон, сидящий в ядре одного из атомов, не может, наплевав на Кулоновское отталкивание, взять, да «сильно» притянуть к себе протон из соседнего атома. В противном случае, вся протонная и нейтронная материя во Вселенной смогла бы «притянуться» к общему центру масс и образовать одно огромное «суперядро». Нечто похожее, впрочем, происходит в толще нейтронных звёзд, в одну из которых, как можно ожидать, однажды (лет эдак миллиардов через пять) сожмётся наше Солнце.

Итак, четвёртое и последнее из фундаментальных взаимодействий в природе - это, так называемое, слабое взаимодействие. Не даром оно так названо: мало того, что работает оно даже на ещё более коротких, чем сильное взаимодействие, расстояниях, так ещё и мощи оно весьма малой. Так что, в отличие своего сильного «собрата», Кулоновского отталкивания, оно никак не перетянет.

Ярким примером, демонстрирующим слабость слабых взаимодействий, являются частицы под называнием нейтрино (можно перевести как «маленький нейтрон», «нейтрончик»). Эти частицы, по природе своей, в сильных взаимодействиях не участвующие, электрического заряда не имеющие (оттого не восприимчивые и к электромагнитным взаимодействиям), массой обладающие ничтожной даже по меркам микромира и, следовательно, практически нечувствительные к гравитации, по факту, способны лишь к слабым взаимодействиям.

Чо? Нейтрино сквозь меня проходят?!

При этом, во Вселенной нейтрино нарождается в количествах поистине колоссальных, и огромный поток этих частиц постоянно пронизывает толщу Земли. Например, в объёме спичечного коробка, в среднем, в каждый момент времени находится штук 20 нейтрино. Таким образом, можно представить себе, огромную бочку с водой-детектор, о которой я писал в своём прошлом посте, и то неимоверное количество нейтрино, которое в каждый момент времени пролетает через неё. Так вот учёным, работающим на этом детекторе обычно приходится месяцами ждать такого счастливого случая, чтоб хотя бы один нейтрино «почувствовал» их бочку и своими слабыми силами провзаимодействовал в ней.

Однако ж, даже несмотря на слабость свою, это взаимодействие играет очень немаловажную роль во Вселенной и в жизни человека. Так, именно оно оказывается ответственным за один из видов радиоактивности - именно, бета-распад, являющийся вторым (после гамма-радиоактивности) по степени опасности своего воздействия на живые организмы. И, что не менее важно, без слабого взаимодействия невозможно было бы протекание термоядерных реакций, протекающих в недрах многих звёзд и ответственных за выделение энергии светила.

Такая вот четвёрка всадников Апокалипсиса фундаментальных взаимодействий правит во Вселенной бал: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

Какие силы природы называют фундаментальными? На каком принципе строятся фундаментальные взаимодействия? Возможно ли существование нового фундаментального взаимодействия? На эти и другие вопросы отвечает доктор физико-математических наук Дмитрий Казаков.

Со школьной физики мы сталкиваемся с понятием «сила». Силы бывают разные: есть сила притяжения, сила трения, сила качения, сила упругости. Существует множество разных сил. Не все из этих сил являются фундаментальными - очень часто сила является вторичным явлением. Например, сила трения является вторичным явлением - на самом деле это взаимодействие молекул. И даже взаимодействие молекул может быть вторичным. Например, в молекулярной физике есть силы Ван-дер-Ваальса. Эти силы являются вторичным следствием электромагнитных взаимодействий.

Хочется докопаться до самой фундаментальной силы: что же является фундаментальными силами в природе, которые определяют все, из которых строятся все вторичные силы? Электромагнитные силы, или электрические силы, являются фундаментальными взаимодействиями, как мы их понимаем сейчас. Закон Кулона, известный еще со школьной физики, - это фундаментальный закон, но он имеет свое обобщение, он вытекает из уравнений Максвелла. Уравнения Максвелла описывают вообще все электрические и магнитные силы в природе, поэтому электромагнитные взаимодействия являются фундаментальными силами природы.

Другой пример фундаментальных сил природы - это тяготение. Со школы известен закон всемирного тяготения Ньютона, который теперь уже получил обобщение в уравнениях Эйнштейна - сейчас у нас есть теория тяготения Эйнштейна. Сила тяготения - это тоже фундаментальные взаимодействия в природе. И когда-то казалось, что существуют только эти две фундаментальные силы. Но впоследствии поняли, что это не так. В частности, когда было открыто атомное ядро и возникла проблема понять, почему же частицы удерживаются внутри ядра и не разлетаются, было введено понятие ядерных сил. Эти ядерные силы были измерены, поняты, описаны. Но впоследствии оказалось, что они тоже нефундаментальны - ядерные силы в некотором смысле напоминают силы Ван-дер-Ваальса.

Истинно фундаментальными силами, обеспечивающими сильное взаимодействие, являются силы между кварками. взаимодействуют друг с другом, и как вторичный эффект друг с другом взаимодействуют протоны и нейтроны в ядре. Фундаментальным взаимодействием является взаимодействие кварков с помощью обмена глюонами - это третья фундаментальная сила в природе.

Но и тут история не заканчивается. Оказывается, что распады элементарных частиц - а все тяжелые частицы распадаются на более легкие - описываются новым взаимодействием, которое получило название слабого взаимодействия. Слабого - потому что сила этого взаимодействия заметно слабее, чем электромагнитные силы. Но оказалось, что теория слабого взаимодействия, которая первоначально существовала и очень хорошо описывала все распады, плохо работала при повышении энергии, и она была заменена на новую теорию слабого взаимодействия, которая оказалась совершенно универсальной и построенной на том же принципе, на каком построены все остальные взаимодействия.

В современном мире есть четыре фундаментальных взаимодействия, про пятое я еще тоже скажу.

Четыре фундаментальных взаимодействия - электромагнитное, сильное, слабое и гравитационное - строятся на одном принципе.

Этот принцип состоит в том, что сила между частицами возникает за счет обмена некоторым посредником, переносчиком взаимодействия.

Электромагнитное взаимодействие строится на основе обмена квантом света или квантом электромагнитных волн - это фотон. Фотон - это безмассовая частица, ею обмениваются заряженные частицы, и за счет этого обмена возникают взаимодействия между частицами, сила между частицами, закон Кулона тоже так описывается.

Другое взаимодействие - сильное. Там тоже есть посредник, частица, которой обмениваются кварки. Эти частицы называются глюонами, их восемь штук, это тоже безмассовые частицы.

Третья частица, третье взаимодействие - это слабое взаимодействие, и здесь тоже посредником выступают частицы, которые называются промежуточными векторными бозонами. Эти частицы, - их штуки, - массивны, то есть довольно тяжелые. Этой массой, тяжестью этих частиц и объясняется, почему слабое взаимодействие такое слабое.

Четвертое взаимодействие - гравитационное, и оно осуществляется путем обмена квантом гравитационного поля, его называют . Гравитон пока экспериментально не обнаружен, мы пока не вполне ощущаем и не вполне умеем описывать.

Все взаимодействия - это акт обмена некоторыми частицами. Здесь мы возвращаемся к . Всякое взаимодействие связано с симметрией. Симметрия говорит о том, сколько таких частиц и какова у них масса. Если симметрия точная - масса нулевая. У фотона масса 0, у глюона масса 0. Если симметрия нарушена - масса ненулевая. У промежуточных векторных бозонов масса ненулевая, там симметрия нарушена. Гравитационная симметрия не нарушена - у гравитона тоже масса 0.

Эти четыре фундаментальных взаимодействия объясняют все, что мы видим. Все остальные силы - это вторичный эффект этих взаимодействий. Но в 2012 году была обнаружена новая частица, которая стала очень знаменитой, - это так называемый . Хиггсовский бозон тоже является переносчиком взаимодействия между кварками и между лептонами. Поэтому сейчас уместно говорить о том, что появилась пятая сила, переносчиком которой является хиггсовский бозон. Здесь тоже симметрия нарушена - хиггсовский бозон является массивной частицей. Тем самым число фундаментальных взаимодействий - в физике частиц обычно употребляется слово не «сила», а «взаимодействие» - достигло пяти.

Есть ли новые взаимодействия? На самом деле мы этого не знаем. В физики элементарных частиц других взаимодействий нет, есть только пять. Но не исключено, что та модель, нами сейчас рассматриваемая и прекрасно описывающая все экспериментальные данные и все явления, которые мы наблюдаем в мире, возможно, все-таки неполна, и тогда, возможно, появятся какие-то новые силы и новые взаимодействия. Например, если существуют так называемые , то есть если существует новая симметрия в природе, то эта новая симметрия повлечет за собой появление новых частиц, которые являются посредниками между другими частицами, тем самым возникнет новая фундаментальная сила. Поэтому эта возможность до сих пор остается.

Интересно, что всякое новое взаимодействие всегда приводит к какому-то новому явлению. Скажем, если бы не было слабого взаимодействия, не было бы распада. Не было бы распада - мы бы не наблюдали ядерные реакции. Не было бы ядерных реакций - не светило бы Солнце. Не светило бы Солнце - на Земле не могла бы существовать жизнь. Так что наличие такого взаимодействия оказалось жизненно важным для нас.

Не будь сильного взаимодействия, не было бы стабильных атомных ядер. Не было бы ядер - не было бы атомов. Не было бы атомов - не было бы нас. То есть оказалось, что все силы вроде как необходимы. Вот электромагнитное взаимодействие: мы получаем энергию от Солнца - это лучи света, которые прилетают к нам от Солнца. Не будь его, Земля была бы холодной. Получается, все те взаимодействия, которые мы знаем, для чего-нибудь нужны. Хиггсовское взаимодействие с хиггсовским бозоном . Фундаментальные частицы получают массу за счет взаимодействия с полем Хиггса - без этого тоже жить нельзя. Про гравитационное взаимодействие я не говорю - мы бы улетели с поверхности планеты.

Все взаимодействия, которые есть в природе, которые сейчас открыты, являются жизненно важными, для того чтобы все, что мы понимаем и знаем, существовало.

А что было бы, если бы было какое-нибудь новое взаимодействие, которое еще не открыто? Вот еще один пример: протон в ядре стабилен, и очень важно, что он стабилен, иначе опять же не было бы жизни. Но экспериментально время жизни протона сейчас ограничено - 1034 лет. Это значит, что нет никакого запрета, чтобы протон распадался, но для этого нужна новая сила и новое взаимодействие. Есть теории, которые предсказывают распад протона, - в них есть более высокая группа симметрии, и в них есть новые взаимодействия, которые мы не знаем. Так ли это - это вопрос к эксперименту.

Все фундаментальные взаимодействия сейчас строятся по единому принципу, и в этом смысле есть единство природы. Иногда возникает вопрос: нельзя ли объяснить каким-либо образом, сколько взаимодействий есть в природе, то есть понять причину, почему их четыре или почему их пять, а может быть, еще есть больше? Существуют различные версии того, как можно было бы объяснить наличие определенного числа фундаментальных взаимодействий. Такие теории часто называют теориями Великого объединения. Эти теории объединяют между собой различные виды взаимодействий в одно. Это напоминает растущее дерево: есть единый ствол, потом он ветвится, и получаются различные ветви.

Идея состоит примерно в этом же: есть единый корень всех взаимодействий, единый ствол, а потом в результате нарушения симметрии этот ствол начинает ветвиться, и образуется несколько фундаментальных взаимодействий, которые мы экспериментально наблюдаем. Проверка этой гипотезы требует физики при очень высоких энергиях, которые недоступны современному эксперименту и, вероятно, никогда не будут доступны. Но зато можно обойти эту проблему. В конце концов, у нас есть естественный ускоритель - это Вселенная. Некоторые процессы, идущие во Вселенной, позволяют нам проверить смелые гипотезы о том, что есть единый корень всех взаимодействий.

Другая очень интересная задача в понимании взаимодействий в природе - понять, как гравитация соотносится со всеми остальными взаимодействиями. Гравитация стоит несколько особняком, хотя принцип построения теории очень похож. В свое время Эйнштейн пытался построить единую теорию гравитации и электромагнетизма. Тогда это казалось весьма реальным, но теории так и не получилось. Сейчас мы немного больше знаем. Мы знаем, что есть еще сильное взаимодействие, слабое взаимодействие, поэтому, если сейчас строить единую теорию, казалось бы, надо включить все эти взаимодействия вместе, но тем не менее такой единой теории до сих пор не создано, и до сих пор нам не удается объединить гравитацию с остальными взаимодействиями. Все взаимодействия, кроме гравитации, подчиняются законам квантовой физики - это квантовая теория. Все частицы - это кванты определенного поля. Квантовой гравитации пока не существует, пока ее создать не удается. В чем причина, что мы делаем не так, чего мы не понимаем - все это пока остается загадкой. Но количество фундаментальных взаимодействий, которое уже открыто, говорит о том, что, вероятно, какая-то единая схема существует.