Когда вы сидите перед компьютером и читаете эту статью, вы можете не подозревать о многих силах, действующих на вас.силаопределяется как толчок или тяга, которые изменяют состояние движения объекта или вызывают его деформацию. Ньютон определил силу как все, что заставляет тело ускоряться: F=ma, гдеF- сила,m- масса, аa - ускорение.
Знакомая силагравитациипритягивает вас на свое место к центру Земли. Вы чувствуете это как свой вес. Почему бы тебе не провалиться через свое место? Что ж, другая сила,электромагнетизм, удерживает атомы вашего сиденья вместе, не позволяя вашим атомам вторгаться в атомы вашего сиденья. Электромагнитные взаимодействия в мониторе вашего компьютера также отвечают за генерацию света, который позволяет вам читать экран.
Гравитация и электромагнетизм - это лишь две из четырех фундаментальных сил природы, две из которых вы можете наблюдать каждый день. Что такое два других и как они влияют на вас, если вы их не видите?
Оставшиеся две силы действуют на атомном уровне, чего мы никогда не чувствуем, несмотря на то, что они состоят из атомов.сильная силаудерживает ядро вместе. Наконец,слабое взаимодействие отвечает за радиоактивный распад, в частности, за бета-распад, при котором нейтрон внутри ядра превращается в протон и электрон, который выбрасывается из ядра.
Без этих фундаментальных сил вы и вся остальная материя во вселенной распались бы на части и уплыли. Давайте рассмотрим каждую фундаментальную силу, что она делает, как она была открыта и как она связана с другими.
Гравитация сбивает тебя с толку?
Первой силой, о которой вы когда-либо узнали, была гравитация. Будучи малышом, вы должны были научиться вставать против него и ходить. Когда вы спотыкаетесь, вы сразу же чувствуете, как гравитация возвращает вас на пол. Помимо проблем с малышами, гравитация удерживает Луну, планеты, Солнце, звезды и галактики вместе во Вселенной на их соответствующих орбитах. Он может работать на огромных расстояниях и имеет бесконечный радиус действия.
Исаак Ньютон представлял себе гравитацию как притяжение между любыми двумя объектами, которое прямо пропорционально их массам и обратно пропорционально квадрату разделяющего их расстояния. Его закон всемирного тяготения позволил человечеству отправить астронавтов на Луну и автоматических зондов к дальним пределам нашей Солнечной системы. С 1687 года до начала 20 века в физике доминировала ньютоновская идея гравитации как «перетягивания каната» между любыми двумя объектами.
Но одно явление, которое теории Ньютона не могли объяснить, - это своеобразная орбита Меркурия. Сама орбита, казалось, вращалась (также известная как прецессия). Это наблюдение расстраивало астрономов с середины 1800-х годов. В 1915 году Альберт Эйнштейн понял, что законы Ньютона о движении и гравитации неприменимы к объектам с высокой гравитацией или с высокими скоростями, такими как скорость света.
В своей общей теории относительности Альберт Эйнштейн рассматривал гравитацию как искажение пространства, вызванное массой. Представьте, что вы помещаете шар для боулинга в середину резинового листа. Шар делает углубление в листе (гравитационный колодец или гравитационное поле). Если вы подкатите шарик к мячу, он упадет в углубление (притянется к мячу) и может даже обогнуть мяч (по орбите), прежде чем ударится. В зависимости от скорости шарика он может избежать углубления и передать мяч, но углубление может изменить путь шарика. Гравитационные поля вокруг массивных объектов, таких как солнце, делают то же самое. Эйнштейн вывел закон всемирного тяготения Ньютона из своей собственной теории относительности и показал, что идеи Ньютона были частным случаем теории относительности, в частности применимой к слабой гравитации и низким скоростям.
При рассмотрении массивных объектов (Земля, звезды, галактики) гравитация оказывается самой мощной силой. Однако, когда вы применяете гравитацию к атомному уровню, это мало что дает, потому что массы субатомных частиц очень малы. На этом уровне она фактически понижена до самой слабой силы.
Давайте посмотрим на электромагнетизм, следующую фундаментальную силу.
Сохраняя это вместе с электромагнетизмом
Если вы расчесываете волосы несколько раз, они могут встать дыбом и притянуться к расческе. Почему? Движение щетки придает каждому волоску электрический заряд, и отдельные волоски с одинаковым зарядом отталкиваются друг от друга. Точно так же, если вы поместите одинаковые полюса двух стержневых магнитов вместе, они будут отталкиваться друг от друга. Но расположите противоположные полюса магнитов рядом друг с другом, и магниты будут притягиваться друг к другу. Это знакомые примеры электромагнитной силы; разноименные заряды притягиваются, а разноименные отталкиваются.
Ученые изучают электромагнетизм с 18 века, и некоторые из них внесли заметный вклад.
- В 1785 году знаменитый французский физик Шарль Кулон описал силу электрически заряженных объектов как прямо пропорциональную величине зарядов и обратно пропорциональную квадрату расстояния между ними. Как и гравитация, электромагнетизм имеет бесконечный диапазон.
- В 1819 году датский физик Ганс Христиан Эрстед обнаружил, что электричество и магнетизм очень тесно связаны между собой, что побудило его заявить, что электрический ток порождает магнитную силу.
- Физик и химик британского происхождения Майкл Фарадей высказал свое мнение об электромагнетизме, показав, что магнетизм можно использовать для выработки электричества в 1839 году.
- В 1860-х годах Джеймс Клерк Максвелл, шотландский гений математики и физики, вывел уравнения, описывающие взаимосвязь электричества и магнетизма.
- Наконец, голландец Хендрик Лоренц рассчитал силу, действующую на заряженную частицу в электромагнитном поле в 1892 году.
Когда ученые разрабатывали структуру атома в начале 20-го века, они узнали, что субатомные частицы действуют друг на друга электромагнитными силами. Например, положительно заряженные протоны могут удерживать отрицательно заряженные электроны на орбите вокруг ядра. Кроме того, электроны одного атома притягивают протоны соседних атомов, образуяостаточную электромагнитную силу, которая не дает вам упасть со стула.
Но как электромагнетизм работает на бесконечном расстоянии в большом мире и на коротком расстоянии на атомном уровне? Физики думали, что фотоны передают электромагнитную силу на большие расстояния. Но им пришлось разработать теории для примирения электромагнетизма на атомном уровне, и это привело к появлению областиквантовой электродинамики(КЭД). Согласно КЭД, фотоны передают электромагнитную силу как макроскопически, так и микроскопически; однако субатомные частицы постоянно обмениваются виртуальными фотонами во время своих электромагнитных взаимодействий.
Но электромагнетизм не может объяснить, как ядро держится вместе. Вот где ядерные силы вступают в игру.
Да пребудут с вами ядерные силы
Ядро любого атома состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов. Электромагнетизм говорит нам, что протоны должны отталкиваться друг от друга, а ядро должно разлететься. Мы также знаем, что гравитация не играет роли на субатомном уровне, поэтому внутри ядра должна существовать какая-то другая сила, более сильная, чем гравитация и электромагнетизм. Кроме того, поскольку мы не воспринимаем эту силу каждый день, как гравитацию и электромагнетизм, то она должна действовать на очень коротких расстояниях, скажем, в масштабах атома.
Сила, удерживающая ядро вместе, называетсясильным взаимодействием, также называемым сильной ядерной силой или сильным ядерным взаимодействием. В 1935 году Хидэки Юкава смоделировал эту силу и предположил, что протоны, взаимодействующие друг с другом и с нейтронами, обмениваются частицей, называемоймезон, позже названнойпион. - для передачи сильной силы.
В 1950-х годах физики построили ускорители частиц, чтобы исследовать структуру ядра. Когда они столкнули атомы друг с другом на высокой скорости, они обнаружили пионы, предсказанные Юкавой. Они также обнаружили, что протоны и нейтроны состоят из более мелких частиц, называемыхкварками Итак, сильное взаимодействие удерживает вместе кварки, которые, в свою очередь, удерживают вместе ядро.
Нужно было объяснить еще одно ядерное явление: радиоактивный распад. При бета-излучении нейтрон распадается на протон, антинейтрино и электрон (бета-частицу). Электрон и антинейтрино выбрасываются из ядра. Сила, ответственная за этот распад и испускание, должна быть другой и слабее, чем сильная сила, поэтому ее неудачное название -слабая сила или слабая ядерная сила или слабое ядерное взаимодействие.
С открытием кварков было показано, что слабое взаимодействие ответственно за превращение одного типа кварка в другой посредством обмена частицами, называемыми бозонами W и Z, которые были открыты в 1983 году. В конечном счете, слабое взаимодействие заставляет ядерный синтез на солнце и в звездах возможен, потому что он позволяет формировать и сплавлять изотоп водорода дейтерий.
Теперь, когда вы можете назвать четыре силы - гравитацию, электромагнетизм, слабое взаимодействие и сильное взаимодействие - мы посмотрим, как они сравниваются и взаимодействуют друг с другом.
Сравнение Фундаментальных Сил
Из областей КЭД иквантовой хромодинамики, илиКХД, области физики, описывающей взаимодействия между субатомными частицами и ядерными мы видим, что многие силы передаются объектами, обменивающимися частицами, называемымикалибровочными частицамииликалибровочными бозонамиЭти объекты могут быть кварками, протонами, электронами, атомами, магнитами или даже планетами. Итак, как обменивающиеся частицы передают силу? Рассмотрим двух фигуристов, стоящих на некотором расстоянии друг от друга. Если один фигурист бросает мяч другому, фигуристы отдаляются друг от друга дальше. Силы работают аналогичным образом.
Физики выделили калибровочные частицы для большинства взаимодействий. Сильное взаимодействие используетпионыи другую частицу, называемуюглюонСлабое взаимодействие используетбозоны W и Zэлектромагнитная сила используетфотоныСчитается, что гравитация передается частицей, называемойгравитон; однако гравитоны еще не обнаружены. Некоторые калибровочные частицы, связанные с ядерными силами, имеют массу, а другие - нет (электромагнетизм, гравитация). Поскольку электромагнитная сила и гравитация могут действовать на огромных расстояниях, таких как световые годы, их калибровочные частицы должны быть способны двигаться со скоростью света, а гравитоны, возможно, даже быстрее. Физики не знают, как передается гравитация. Но, согласно специальной теории относительности Эйнштейна, ни один объект с массой не может двигаться со скоростью света, поэтому вполне логично, что фотоны и гравитоны являются безмассовыми калибровочными частицами. На самом деле физики твердо установили, что фотоны не имеют массы.
Какая сила самая могущественная из всех? Это будет сильное ядерное взаимодействие. Однако он действует только на коротком расстоянии, примерно равном размеру ядра. Слабое ядерное взаимодействие в одну миллионную меньше сильного ядерного взаимодействия и имеет еще меньший радиус действия, меньше диаметра протона. Электромагнитное взаимодействие примерно на 0,7% слабее сильного ядерного взаимодействия, но имеет бесконечный радиус действия, поскольку фотоны, переносящие электромагнитное взаимодействие, движутся со скоростью света. Наконец, гравитация является самым слабым взаимодействием примерно в 6 x 10-29 раз больше, чем сильное ядерное взаимодействие. Однако гравитация имеет бесконечный радиус действия.
Физики в настоящее время развивают идеи о том, что четыре фундаментальные силы могут быть связаны между собой и что они возникли из одной силы в начале Вселенной. Идея не беспрецедентна. Когда-то мы думали об электричестве и магнетизме как о отдельных сущностях, но работы Эрстеда, Фарадея, Максвелла и других показали, что они связаны. Теории, которые связывают фундаментальные взаимодействия и субатомные частицы, по праву называютсятеориями великого объединения Подробнее о них далее.
Объединение основных сил
Наука никогда не отдыхает, поэтому работа над фундаментальными силами далека от завершения. Следующая задача состоит в том, чтобы построить одну великую объединенную теорию четырех взаимодействий, что является особенно сложной задачей, поскольку ученые изо всех сил пытались согласовать теории гравитации с теориями квантовой механики.
Вот тут-то и пригодятся ускорители частиц, которые могут вызывать столкновения при более высоких энергиях. В 1963 году физики Шелдон Глэшоу, Абдул Салам и Стив Вайнберг предположили, что слабое ядерное взаимодействие и электромагнитное взаимодействие могут сочетаться при более высоких энергиях в так называемомэлектрослабом взаимодействии. Они предсказали, что это произойдет при энергии около 100 гигаэлектронвольт (100 ГэВ) или температуре 1015 К, что произошло вскоре после Большого Взрыва. В 1983 году физики достигли таких температур на ускорителе частиц и показали, что электромагнитное взаимодействие и слабое ядерное взаимодействие связаны между собой.
Теории предсказывают, что сильное взаимодействие объединится с электрослабым взаимодействием при энергиях выше 1015ГэВ и что все взаимодействия могут объединиться при энергиях выше 1019ГэВ. Эти энергии приближаются к температуре самой ранней части Большого Взрыва. Физики стремятся построить ускорители частиц, которые могли бы достигать таких температур. Крупнейший ускоритель частиц - Большой адронный коллайдер в ЦЕРН в Женеве, Швейцария. Когда он появится в сети, он сможет разгонять протоны до 99,99% скорости света и достигать энергии столкновения 14 тераэлектрон-вольт или 14 ТэВ, что равно 14 000 ГэВ или 1.4 x 104 ГэВ.
Если физики смогут показать, что четыре фундаментальные силы действительно произошли от одной объединенной силы, когда Вселенная остыла после Большого Взрыва, изменит ли это вашу повседневную жизнь? Возможно нет. Однако это продвинет наше понимание природы сил, а также происхождения и судьбы Вселенной.
Часто задаваемые вопросы
Какие 4 фундаментальные силы существуют в природе?
Четыре фундаментальных взаимодействия: гравитация, электромагнетизм, слабое ядерное взаимодействие и сильное ядерное взаимодействие.
Какие 4 самые сильные силы природы?
Четыре силы природы: сила гравитации, электромагнитная сила, сильная ядерная сила и слабая ядерная сила.
Викторина о четырех фундаментальных силах природы?
Четыре фундаментальные силы природы: гравитация, электромагнетизм, сильное ядерное взаимодействие и слабое ядерное взаимодействие.