Четыре взаимодействия Вселенной
Наша Вселенная является такой благодаря фундаментальным силам, или, как говорят, фундаментальным взаимодействиям. На сегодня их известно четыре: сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное.
Самое слабое из них — гравитационное взаимодействие, или сила тяготения. Однако оно действует на любых расстояниях и между всеми материальными телами. В отличие от других взаимодействий, гравитация универсальна: не существует объектов, на которые бы она не действовала. Благодаря гравитации расширяется Вселенная, образуются черные дыры, существуют планеты и звезды, Земля вращается вокруг Солнца, а все, что находится на ней, не улетает в космическое пространство. Не только Земля притягивает нас — мы тоже притягиваем ее, но поскольку наша масса пренебрежимо мала по сравнению с массой планеты, это незаметно. Считается, что переносчиками гравитационного взаимодействия должны быть элементарные частицы, не имеющие массы, — гравитоны, но их до сих пор не открыли. Описывается гравитационное взаимодействие общей теорией относительности.
Слабое ядерное взаимодействие называется так потому, что оно слабее электромагнитного и сильного ядерного. Слабое оно только в масштабах атомного ядра, а на самом деле в 10 25 раз сильнее гравитационного. Оно отвечает за процессы ядерного распада и действует на очень небольших расстояниях, в пределах атомного ядра — 10 -18 м. Слабое ядерное взаимодействие почти полностью универсально: в нем участвуют все частицы, кроме фотонов. Кроме того, есть частицы, которые участвуют только в слабом взаимодействии, — это некоторые виды нейтрино. Переносчиками слабого ядерного взаимодействия являются определенные виды элементарных частиц — бозонов. Описывается оно теорией электрослабого взаимодействия.
Сильное ядерное взаимодействие отвечает за связь между кварками и за притяжение между нуклонами (то есть протонами и нейтронами) в атомных ядрах. Таким образом, без сильного взаимодействия не существовало бы ни протонов, ни нейтронов, ни атомных ядер, а значит, и атомов, молекул, звезд, планет и самой жизни. Сильное ядерное взаимодействие сильнее гравитационного в 10 38 раз, а действует на том же расстоянии, что и слабое, — 10 -18 м, в пределах ядра. Переносчиками сильного ядерного взаимодействия являются глюоны: именно они помогают кваркам удерживаться вместе и составлять протоны. Описывается сильное взаимодействие квантовой хромодинамикой.
Электромагнитное взаимодействие происходит между частицами, обладающими электрическим зарядом. Благодаря ему существует притяжение между положительно заряженными ядрами атомов и отрицательно заряженными электронами. Иными словами, без этого взаимодействия атомов бы не существовало. Благодаря ему наша планета обладает магнитным полем и защищена от космического излучения. И, конечно, благодаря ему существуют электрический свет, телевидение, радио и другие полезные изобретения. Оно сильнее гравитационного в 10 36 раз. В отличие от сильного и слабого взаимодействия, электромагнитное — дальнодействующее. Его переносчиками являются фотоны. Описывается оно классической электродинамикой.
Давно предпринимаются попытки оформить все четыре взаимодействия в одной теории, но пока это не удалось. Три вида — электромагнитное, сильное и слабое — объединили в Стандартной модели, но для гравитационного используется отдельно теория относительности. Однако все еще впереди, и, вероятно, в обозримом будущем такая теория будет создана.
Существует ли пятое взаимодействие
Других видов фундаментальных взаимодействий пока не обнаружено, хотя после того как был открыт бозон Хиггса, поле Хиггса называют пятым взаимодействием. Переносчиком этого поля как раз и является одноименный бозон, придающий массу элементарным частицам. Но пока трудно сказать, идет ли речь о пятом взаимодействии или какой-то вариации уже известных.
Источник
Четыре движущих силы Вселенной
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.
Понравилась статья? Подпишитесь на канал, чтобы быть в курсе самых интересных материалов
Источник
Краткое описание Вселенной
Краткое руководство по физике и тайнам нашей Вселенной для тех, у кого мало времени.
Понимание физики хорошо по многим причинам. Физика не только информирует нас о нашем доме в Солнечной системе и о Великой Вселенной, но и является основой для того, что все мы используем: технологии. Это то, что стимулировало как промышленную, так и информационную революции, создав современное общество, каким мы его знаем. Технологии позволяют получить доступ к интернету, смотреть ваши любимые шоу, и иметь важную информацию о вашем здоровье, когда вы находитесь в больнице. В будущем технологии позволят нам сделать так много, что большая часть того, что сегодня звучит как научная фантастика, — перемещение объектов силой мысли, не касаясь их, невидимость, вечная молодость, — станет реальностью. Наши потомки в будущем покажутся богами по сравнению с тем, чего мы сами можем достичь сегодня. И всё это, из-за экспоненциального роста технологий, который может произойти в течение ближайших 100 лет.
Здесь краткий фундамент для физики и что она может рассказать нам о нашей Вселенной.
Краткая история физики
Во Вселенной существует четыре основные силы взаимодействия, называемых фундаментальными. В порядке от самого сильного к самому слабому фундаментальному взаимодействию они располагаются так: сильное ядерное, электромагнитное, слабое ядерное и сила тяжести (гравитация).
Гравитация
В возрасте 23 лет Исаак Ньютон уже свободно владел базовыми методами дифференциального и интегрального исчислений. Он также изобрел телескоп-рефлектор, который использовал для наблюдения за кометой. И он дал нам понятие гравитации. Это был первый шаг к разгадке тайн нашей необъятной и загадочной Вселенной.
Напомним, что законы Ньютона заключаются в следующем:
- Движущийся объект будет оставаться в движении, а объект в состоянии покоя будет оставаться в состоянии покоя, до тех по, пока на них не действует внешняя сила.
2. Сила = масса * ускорение.
3. Для каждого действия существует равное и противоположное противодействие.
Эти первые законы физики породили промышленную революцию и, таким образом, наступила современная эпоха. Тем не менее, было несколько других важных игроков.
Электромагнитное взаимодействие
Электрическая революция произошла в значительной степени благодаря человеку, который никогда не имел даже формального образования. Майкл Фарадей продемонстрировал свойства электричества во время своих публичных лекций. Он входил в стальные клетки и электрифицировал их, показывая, что сталь создает барьер для электричества, и что, пока вы сами не коснетесь барьера, вы будете в безопасности от электрических токов. Его закон заключается в том, что напряжение электричества может быть создано из магнитной среды. Движущийся провод в магнитном поле создает электрический ток, толкая электроны.
Если движущийся магнит создает электрическое поле, то верно и обратное. Движущееся электрическое поле приведет к магнитному полю. Они одно и то же. Единая объединяющая сила.
Джеймс Максвелл во время Гражданской войны в США рассчитал скорость волны, которая колебалась между магнитным и электрическим полями. Это волна, в которой магнитные поля создавали электрические, которые в свою очередь создавали магнитные поля, и так бесконечно. Скорость этой волны оказалась равна скорости света. На самом деле, это и был свет сам по себе!
Сильные и слабые ядерные взаимодействия
Оба этих взаимодействия (силы) работают на атомарном уровне, хотя и по совершенно противоположным причинам. Сильные взаимодействия являются одними из самых сильных во всей Вселенной и именно они связывают составляющие частицы ядер — протоны и нейтроны. Слабое взаимодействие имеет дело с радиоактивным распадом субатомных частиц. Это то, посредством чего произвоится ядерный синтез, благодаря которому «горит» Солнце и другие звезды. Когда элемент распадается из-за воздействия слабого взаимодействия, он превращается в совершенно другой элемент. Атомы углерода с 6-ю протонами и 8-ю нейтронами, распадаются на атомы азота, с 7-ю протонами и 7-ю нейтронами. В этом случае слабое взаимодействие воздействовало на нейтрон и превращало его в протон.
Самая известная Формула Эйнштейна
Вес не постоянен. Чем быстрее вы двигаетесь, тем тяжелее вы становитесь. Масса — это энергия. Это идея самой известной формулы Эйнштейна: E = mc², или энергия = масса*(скорость света в квадрате).
Эта формула, наряду с нашими знаниями о слабом ядерном взаимодействии, помогла нам понять, что происходит внутри Солнца.
Нам посчастливилось, что наше солнце находится в такой момент своей жизни, когда оно невероятно стабильно ( желтый карлик), последовательно превращая водород в гелий. Однако через миллиард лет этого уже не будет. Солнце в этот момент станет достаточно горячим, чтобы вскипятить наши океаны, и через несколько миллиардов лет после этого оно превратится в красного гиганта, настолько огромного, что поглотит нас полностью. Существует шанс, хотя и небольшой, что Земля избежит солнечной жары и выживет за пределами красного карлика Солнца. Но если она выживет, то в конечном итоге выйдет на орбиту около пояса астероидов, который будет вращаться вокруг белого карлика Солнца.
Излишне говорить, что шансы, что человечество просуществует достаточно долго, чтобы увидеть прекрасную смерть нашей звезды, невероятно малы.
Теория струн
Это теория, которая пытается соединить теорию относительности Эйнштейна с квантовой механикой. То есть, она пытается быть объяснением от самых маленьких частиц в нашей Вселенной вплоть до больших тел, планет и звезд. Она работает, предполагая, что частицы являются струнами и что вибрация этих струн по-другому преобразует их в другую частицу. Таким образом, Теория струн объединила бы все четыре силы, о которых мы говорили выше.
В то время как уравнения Эйнштейна не работают в центре черной дыры и во время до Большого взрыва, Теория струн предполагает, что мы не только одна Вселенная, но одна Вселенная, которая является частью Мультивселенной. И если это правда, то в будущем мы сможем создать червоточины для других вселенных. Даже создание машин времени станет возможно, хотя это и потребуют огромного количества энергии.
Тайна темной энергии и темной материи
В то время как книги по физике сегодня расскажут вам, что большая часть Вселенной состоит из атомов, это неправда. Большая часть Вселенной состоит из Темной энергии и Темной материи. Темная энергия составляет 68% Вселенной, а Темная материя — 27%, а так называемая «нормальная материя» — атомы и всё, что мы видим вокруг нас — менее 5%.
Мы знаем, что темная энергия и темная материя существуют, потому что мы наблюдаем, как они влияют на нашу Вселенную. Темная материя, например, не взаимодействует ни с какой другой основной силой во Вселенной, кроме гравитации. Она имеет в шесть раз большую силу гравитации, чем обычная материя, и без нее галактики не существовали бы, поскольку гравитации обычной материи недостаточно, чтобы держать звезды вместе в галактических кластерах. Мы знаем, что темная материя существует, потому что свет будет изгибаться вокруг неё.
Темная энергия заставляет Вселенную расширяться гораздо быстрее, чем мы ожидали. На самом деле считалось, что гравитация в конечном итоге замедлит и остановит расширение Вселенной. То, что мы знаем о темной энергии, — это только то, что она существует там, где есть пустое пространство, и что она продолжает становиться сильнее с течением времени.
Нобелевская премия ждет каждого, кто сможет рассказать нам, что такое темная материя и темная энергия, или даже почему мы вообще существуем. Нет, действительно! Ничего из этого не должно существовать. Мы здесь только потому, что существует дисбаланс материи и антиматерии. Что вызвало этот дисбаланс? Никто не знает.
Источник