От прогулок по улице до запуска ракеты в космос, прикрепления магнита к вашему холодильнику, физические силы действуют вокруг нас. Но все силы, которые мы испытываем каждый день (и многие, которые мы не осознаем, мы испытываем каждый день), можно свести к четырем основным силам:
- Сила тяжести.
- Слабая сила.
- Электромагнетизм.
- Сильная сила.
Их называют четырьмя фундаментальными силами природы, и они управляют всем, что происходит во вселенной.
Сила тяжести
Гравитация - это притяжение между двумя объектами, обладающими массой или энергией, независимо от того, видно ли это, когда вы сбрасываете камень с моста, планету, вращающуюся вокруг звезды, или луну, вызывающую океанские приливы. Гравитация, вероятно, самая интуитивная и знакомая из фундаментальных сил, но она также была одной из самых сложных для объяснения.
Исаак Ньютон был первым, кто предложил идею гравитации, предположительно вдохновленную яблоком, падающим с дерева. Он описал гравитацию как буквальное притяжение между двумя объектами. Спустя столетия Альберт Эйнштейн в своей теории общей теории относительности предположил, что гравитация не является притяжением или силой. Вместо этого это является следствием изгиба объектов в пространстве-времени. Большой объект работает в пространстве-времени немного похоже на то, как большой шар, помещенный в середину листа, воздействует на этот материал, деформируя его и заставляя другие меньшие объекты на листе падать к середине.
Хотя гравитация удерживает планеты, звезды, солнечные системы и даже галактики вместе, она оказывается самой слабой из фундаментальных сил, особенно в молекулярном и атомном масштабах. Подумайте об этом так: как трудно поднять мяч с земли? Или поднять ногу? Или прыгать? Все эти действия противодействуют гравитации всей Земли. А на молекулярном и атомном уровнях гравитация практически не влияет на другие фундаментальные силы.
Слабая сила
Слабая сила, также называемая слабым ядерным взаимодействием, ответственна за распад частиц. Это буквальное изменение одного типа субатомной частицы в другой. Так, например, нейтрино, которое отклоняется от нейтрона, может превратить нейтрон в протон, а нейтрино становится электроном.
Физики описывают это взаимодействие посредством обмена несущими силу частицами, называемыми бозонами. Конкретные виды бозонов ответственны за слабую силу, электромагнитную силу и сильную силу. В слабой силе бозоны - это заряженные частицы, называемые W и Z-бозонами. Когда субатомные частицы, такие как протоны, нейтроны и электроны, находятся в пределах 10-18 метров, или 0,1% диаметра протона, друг от друга, они могут обмениваться этими бозонами. В результате субатомные частицы распадаются на новые частицы, согласно веб-сайту HyperPhysics Университета штата Джорджия.
Слабая сила имеет решающее значение для реакций ядерного синтеза, которые приводят в движение Солнце и производят энергию, необходимую для большинства форм жизни здесь, на Земле. Это также, почему археологи могут использовать углерод-14, чтобы датировать древнюю кость, дерево и другие ранее живущие артефакты. Углерод-14 имеет шесть протонов и восемь нейтронов; один из этих нейтронов распадается на протон с образованием азота-14, который имеет семь протонов и семь нейтронов. Этот распад происходит с предсказуемой скоростью, позволяя ученым определить, сколько лет таким артефактам.
Электромагнитная сила
Электромагнитная сила, также называемая силой Лоренца, действует между заряженными частицами, подобно отрицательно заряженным электронам и положительно заряженным протонам. Противоположные заряды притягивают друг друга, а подобные заряды отталкивают. Чем больше заряд, тем больше сила. И так же, как гравитация, эту силу можно почувствовать с бесконечного расстояния (хотя сила была бы очень, очень мала на этом расстоянии).
Как видно из названия, электромагнитная сила состоит из двух частей: электрической силы и магнитной силы. Сначала физики описывали эти силы как отдельные друг от друга, но позже исследователи поняли, что эти два компонента являются компонентами одной и той же силы.
Электрический компонент действует между заряженными частицами, движущимися они или неподвижными, создавая поле, посредством которого заряды могут влиять друг на друга. Но как только они приводятся в движение, эти заряженные частицы начинают отображать второй компонент, магнитную силу. Частицы создают магнитное поле вокруг себя при движении. Поэтому, когда электроны масштабируют провод, чтобы зарядить компьютер или телефон или включить телевизор, например, провод становится магнитным.
Электромагнитные силы передаются между заряженными частицами посредством обмена безмассовыми несущими силу бозонами, называемыми фотонами, которые также являются компонентами света. Однако несущие силу фотоны, которые обмениваются между заряженными частицами, являются другим проявлением фотонов. Они являются виртуальными и необнаружимыми, хотя технически они представляют собой те же частицы, что и реальная и обнаруживаемая версия, согласно Университету Теннесси, Ноксвилл.
Электромагнитная сила ответственна за некоторые из наиболее часто встречающихся явлений: трение, упругость, нормальная сила и сила, удерживающая твердые тела в заданной форме. Это даже ответственно за сопротивление, которое птицы, самолеты и даже Супермен испытывают во время полета. Эти действия могут происходить из-за того, что заряженные (или нейтрализованные) частицы взаимодействуют друг с другом. Например, нормальная сила, удерживающая книгу на столе (вместо гравитации, которая тянет книгу на землю), является следствием того, что электроны в атомах таблицы отталкивают электроны в атомах книги.
Сильная ядерная сила
Сильная ядерная сила, также называемая сильным ядерным взаимодействием, является самой сильной из четырех фундаментальных сил природы. По данным веб-сайта HyperPhysics, это в 6 тысяч триллионов триллионов триллионов (это 39 нулей после 6!) В разы сильнее силы тяжести. И это потому, что он связывает фундаментальные частицы материи вместе, чтобы сформировать более крупные частицы. Он удерживает вместе кварки, которые составляют протоны и нейтроны, а часть сильной силы также удерживает вместе протоны и нейтроны ядра атома.
Подобно слабой силе, сильная сила действует только тогда, когда субатомные частицы находятся очень близко друг к другу. Они должны быть где-то в пределах 10-15 метров друг от друга или примерно в диаметре протона, согласно веб-сайту HyperPhysics.
Сильная сила странная, хотя, потому что, в отличие от любых других фундаментальных сил, она становится слабее, когда субатомные частицы сближаются. По словам Фермилаба, он достигает максимальной прочности, когда частицы находятся дальше друг от друга. Оказавшись в пределах досягаемости, безмассовые заряженные бозоны, называемые глюонами, передают сильную силу между кварками и удерживают их «склеенными» вместе. Небольшая часть сильной силы, называемая остаточной сильной силой, действует между протонами и нейтронами. Протоны в ядре отталкивают друг друга из-за их одинакового заряда, но остаточная сильная сила может преодолеть это отталкивание, поэтому частицы остаются связанными в ядре атома.
Объединяющая природа
Выдающийся вопрос четырех фундаментальных сил заключается в том, являются ли они на самом деле проявлениями только одной великой силы вселенной. Если это так, каждый из них должен иметь возможность слиться с другими, и уже есть доказательства того, что они могут.
Физики Шелдон Глэшоу и Стивен Вайнберг из Гарвардского университета вместе с Абдусом Саламом из Имперского колледжа Лондона получили Нобелевскую премию по физике в 1979 году за объединение электромагнитной силы со слабой силой для формирования концепции электрослабой силы. Физики, работающие над тем, чтобы найти так называемую великую объединенную теорию, стремятся объединить электрослабую силу с сильной силой, чтобы определить электронно-ядерную силу, которую предсказывали модели, но исследователи еще не наблюдали. Затем для окончательной части головоломки потребовалось бы объединить гравитацию с электроядерной силой, чтобы разработать так называемую теорию всего, теоретическую структуру, которая могла бы объяснить всю вселенную.
Физикам, однако, было довольно сложно объединить микроскопический мир с макроскопическим. В больших и особенно астрономических масштабах гравитация доминирует и лучше всего описывается теорией относительности Эйнштейна. Но в молекулярных, атомных или субатомных масштабах квантовая механика наилучшим образом описывает мир природы. И до сих пор никто не нашел хороший способ объединить эти два мира.
Физики, изучающие квантовую гравитацию, стремятся описать силу в терминах квантового мира, который может помочь в слиянии. Основополагающим для такого подхода было бы открытие гравитонов, теоретического несущего силу бозона гравитационной силы. Гравитация является единственной фундаментальной силой, которую физики в настоящее время могут описать, не используя несущие силу частицы. Но поскольку для описания всех других фундаментальных сил требуются несущие силу частицы, ученые ожидают, что гравитоны должны существовать на субатомном уровне - исследователи просто еще не обнаружили эти частицы.
Еще больше усложняет историю невидимая сфера темной материи и темной энергии, которые составляют примерно 95% Вселенной. Неясно, состоит ли темная материя и энергия из одной частицы или целого набора частиц, которые имеют свои собственные силы и посланные бозоны.
Первичная частица мессенджера, представляющая текущий интерес, - это теоретический темный фотон, который будет обеспечивать взаимодействие между видимой и невидимой вселенной Если бы существовали темные фотоны, они были бы ключом к обнаружению невидимого мира темной материи и могли бы привести к открытию пятой фундаментальной силы. Однако до сих пор нет никаких доказательств того, что темные фотоны существуют, и некоторые исследования предоставили убедительные доказательства того, что эти частицы не существуют.
