С древних времен человечество задавалось вопросом - что управляет Вселенной? Какие силы заставляют планеты двигаться по орбитам, а предметы падать на землю? Современная физика дает ответ - все многообразие явлений в природе определяется фундаментальными взаимодействиями. Но сколько их на самом деле - 3, 4 или может быть даже 5? Давайте разберемся!
Гравитационное взаимодействие
Первое фундаментальное взаимодействие, которое человек изучил еще в глубокой древности - это гравитация. Именно гравитация заставляет предметы падать на землю, а планеты двигаться по орбитам. Как говорил Ньютон, "сила, заставляющая яблоко падать, та же самая сила, которая заставляет Луну вращаться вокруг Земли".
Гравитационное взаимодействие всегда притягивает тела друг к другу. Чем больше масса тел, тем сильнее гравитационное притяжение между ними. Гравитация действует на любые тела, обладающие массой.
Гравитационное взаимодействие очень слабое по сравнению с другими, но зато дальнодействующее. Оно проявляется на расстояниях от сантиметров до миллиардов километров. Именно благодаря гравитации звезды и планеты объединяются в галактики, а Вселенная представляет собой единое целое.
Электромагнитное взаимодействие
В отличие от гравитации, электромагнитное взаимодействие может быть как притяжением, так и отталкиванием. Оно происходит между заряженными частицами - положительно заряженные притягиваются к отрицательно заряженным и наоборот.
Электромагнитное взаимодействие в 1036 раз сильнее гравитационного, но уступает по интенсивности сильному ядерному взаимодействию.
Благодаря электромагнитному взаимодействию атомы объединяются в молекулы и кристаллические решетки. Это взаимодействие отвечает за передачу света и радиоволн, позволяет работать электрическим приборам.
Слабое взаимодействие
Слабое взаимодействие было открыто в 1930-х годах при изучении радиоактивного распада. Оказалось, что при распаде атомных ядер происходит превращение протонов в нейтроны и наоборот. Этот процесс невозможно объяснить ни сильным, ни электромагнитным взаимодействием.
Слабое взаимодействие действует на очень малых расстояниях, порядка 10-18 м, что соответствует размерам атомного ядра. Оно в 100 000 раз слабее электромагнитного взаимодействия, но зато действует на все частицы, в отличие от избирательного сильного взаимодействия.
Хотя слабое взаимодействие и слабое, оно играет важнейшую роль в природе. Без него невозможны ядерные реакции на Солнце, отвечающие за синтез элементов и выделение энергии.
Сильное взаимодействие
Сильное взаимодействие удерживает протоны и нейтроны в атомном ядре. Без него все атомы распались бы только на протоны, и не существовало бы химических элементов, кроме водорода.
Сильное взаимодействие имеет очень малый радиус действия, порядка 10-15 м - это расстояние между нуклонами в ядре. При увеличении расстояния оно быстро убывает.
Сильное взаимодействие в 100 раз интенсивнее электромагнитного и в 1038 раз интенсивнее гравитационного. Однако в отличие от универсальных гравитации и электромагнетизма, сильное взаимодействие действует только на адроны - протоны и нейтроны.
Роль фундаментальных взаимодействий в формировании Вселенной
Каждое из фундаментальных взаимодействий играет уникальную роль в формировании структуры нашей Вселенной. Рассмотрим их последовательно.
Первичным было, конечно, гравитационное взаимодействие. Именно оно запустило сжатие первичного вещества Вселенной и в конечном итоге привело к Большому взрыву. После начала расширения Вселенной гравитация стала собирать рассеянное вещество в галактики и звезды.
Когда плотность вещества в звездах достигла необходимых значений, начались термоядерные реакции, обусловленные проявлением сильного взаимодействия. Эти реакции синтезировали химические элементы, необходимые для формирования планет и жизни.
Соотношение интенсивностей фундаментальных взаимодействий
Интенсивности различных видов фундаментальных взаимодействий сильно отличаются. Принято сравнивать их относительную силу действия.
- Сильное взаимодействие в 100 раз интенсивнее электромагнитного.
- Электромагнитное взаимодействие в 1036 раз сильнее гравитационного.
- Сильное взаимодействие в 1038 раз интенсивнее гравитационного.
Таким образом, гравитация является самым слабым видом фундаментальных взаимодействий, но зато дальнодействующим, в то время как сильное и слабое взаимодействия имеют ограниченный радиус действия.
Перспективы объединения фундаментальных взаимодействий
У физиков давно существует мечта о создании единой теории поля, которая объединила бы все виды фундаментальных взаимодействий в рамках одной формулировки. Это позволило бы глубже понять природу материи.
Первым шагом на этом пути стало объединение электромагнитного и слабого взаимодействий в единую теорию электрослабого взаимодействия. Дальнейшее объединение осложняется сложностью создания квантовой теории гравитации.
Наиболее перспективными подходами считаются теория струн, петлевая квантовая гравитация и М-теория. Возможно, прорыв в этой области позволит когда-нибудь описать все виды фундаментальных взаимодействий в рамках единого формализма.
Значение изучения фундаментальных взаимодействий
Понимание природы и свойств фундаментальных взаимодействий имеет не только фундаментальное, но и прикладное значение. Знание законов электромагнитного взаимодействия позволило создать современную электронику. Изучение сильного взаимодействия привело к использованию ядерной энергии.
Дальнейшие открытия в области физики элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий будут способствовать созданию новых технологий, которые коренным образом изменят нашу цивилизацию.
Различия свойств фундаментальных взаимодействий
Хотя все фундаментальные взаимодействия описываются квантовой теорией поля, их свойства существенно различаются.
- Характер взаимодействия
Гравитационное и электромагнитное взаимодействия могут быть как притяжением, так и отталкиванием. Сильное и слабое взаимодействия только притягивают частицы.
- Радиус и интенсивность
Гравитация дальнодействующая, но слабая. Сильное взаимодействие короткодействующее, но мощное. Слабое и электромагнитное по интенсивности занимают промежуточное положение.
- Переносчики взаимодействия
У каждого вида взаимодействия есть свой переносчик - бозон. Для гравитации это гравитон, для электромагнитного - фотон, для сильного - глюоны, для слабого - W и Z бозоны.
- Асимметрия материи и антиматерии
Одной из загадок физики является асимметрия между материей и антиматерией во Вселенной. Считается, что на заре Большого взрыва их количества были равны. Однако сейчас антиматерия практически отсутствует.
Одно из возможных объяснений этого - нарушение СР-инвариантности из-за гипотетического нового типа фундаментального взаимодействия. Его поиск - одна из важнейших задач физики элементарных частиц.
Теории Великого объединения
Теории Великого объединения стремятся описать все виды фундаментальных взаимодействий в рамках единой теории. Они предсказывают существование гипотетических тяжелых бозонов - X и Y.
Поиск этих частиц ведется на Большом адронном коллайдере. Их обнаружение стало бы подтверждением правильности теорий объединения.
