В физике мы часто обнаруживаем, что описываем движение и свойства материи, не объясняя основных физических причин, по которым Вселенная ведет себя таким образом. Орбитальное движение спутников регулируется гравитацией, атомы и молекулы, составляющие материю, не просто распадаются, звезды вырабатывают энергию путем слияния. Но что именно происходит, когда мы говорим о гравитации? Почему существуют атомы с известной нам структурой и с чего можно начать ядерный синтез?

Фундаментальные силы Вселенной

Все предыдущие примеры представляют собой процессы, которые можно объяснить с помощью фундаментальных взаимодействий или фундаментальных сил.

Фундаментальные силы - это известные физические взаимодействия в нашей вселенной, которые нельзя разделить на какие-либо более базовые процессы. Согласно текущим исследованиям, эти силы являются описателями физических процессов природы, включая как структуру, так и движение всех объектов, на самом низком уровне.

Давайте углубимся в определения для каждой из четырех фундаментальных сил и рассмотрим несколько примеров, чтобы понять, насколько важны эти взаимодействия для физиков.

Определение фундаментальных сил

Хотя физики ищут больше взаимодействий, которые могли бы описать Вселенную с помощью полной и единой теории, в настоящее время мы знаем только о четырех фундаментальных взаимодействиях.

Фундаментальные силы нашей вселенной:

Гравитационное взаимодействие
Электромагнитное взаимодействие
Слабое ядерное взаимодействие, также называемое слабой силой
Сильное ядерное взаимодействие, также называемое сильной силой

Чтобы математически объяснить фундаментальные взаимодействия, их часто моделируют как векторные поля, которые позволяют нам визуализировать величину и направление заданной силы в разных точках пространства. Мы можем использовать эти модели, чтобы помочь нам построить физическое понимание различных сил и почему силовые поля управляют всеми видами взаимодействий в нашей вселенной.

Важным аспектом для понимания фундаментальных взаимодействий является то, что масштабы расстояния и времени изменяют, какие силы, по—видимому, доминируют в данном физическом процессе - мы обсудим почему и некоторые важные случаи для каждого из них.

Самая слабая фундаментальная сила: гравитация

Гравитационная сила, впервые открытая Исааком Ньютоном, представляет собой взаимодействие, с которым вы, вероятно, наиболее знакомы, и является самой слабой из четырех фундаментальных сил.

Гравитационная сила, или гравитация, - это универсальное притяжение всех объектов с массой друг к другу.

Независимо от того, является ли объект размером с частицу или галактику, он будет испытывать силу тяжести. Ваше тело имеет массу и гравитационно притягивается к центру Земли, сохраняя стабильность на поверхности Земли. Сферическая форма звезд и планет обусловлена гравитацией, притягивающей массу к центру, и наша солнечная система гравитационно связана вместе.

Гравитационные векторные поля

Мы можем использовать графики гравитационного векторного поля, чтобы визуализировать эту невидимую силу.

На 2-мерном графике слева представьте, что центральная точка является массивным объектом, подобным Солнцу. Эти векторные стрелки представляют гравитационную силу, действующую от поля Солнца на некоторую гораздо меньшую массу, во многих разных точках пространства. Притяжение масс означает, что вектор силы во всех точках будет направлен к центру масс. Трехмерный график демонстрирует ту же концепцию. В нижней части кривой правильной формы находится какая-то большая масса, например, звезда или планета, а небольшие объекты с наименьшим расстоянием будут испытывать самую сильную гравитационную силу.

Гравитационное доминирование

Распространенное заблуждение заключается в том, что гравитационная сила является самым сильным взаимодействием в нашей вселенной, но на самом деле это самая слабая фундаментальная сила. Поля и силы тяжести зависят от массы и расстояния. Это означает, что большая масса приводит к более сильному полю гравитации, но большее расстояние от поля приводит к гораздо более слабой действующей силе.

В атомном масштабе мы имеем дело с частицами с очень малыми массами — возьмем, к примеру, электрон, масса которого равна массепокоя. Из-за зависимости от массы гравитационные взаимодействия на атомных и молекулярных масштабах почти незначительны по сравнению с более масштабными, такими как планеты, звезды или целые галактики. Другие фундаментальные взаимодействия во много раз сильнее гравитации, но могут быть незаметны, пока мы не изучим их в атомном масштабе.

Электромагнитная сила

Вторым по силе взаимодействием является электромагнитная сила, и она столь же заметна в структуре и движении нашего макроскопического "я" и жизни.

Электромагнитная сила описывает взаимодействия между частицами с зарядами, такими как протоны и электроны. Электромагнитные силы могут быть как притягательными, так и отталкивающими, когда противоположные заряды притягиваются, а подобные заряды отталкиваются.

Электромагнитная сила сильнее гравитационного взаимодействия внепостижимо большое число!

Электромагнитные взаимодействия также наблюдаются в нашей повседневной жизни в разных масштабах. В макроскопическом масштабе подумайте о статическом электричестве, возникающем при расчесывании волос, падении одежды в сушилке или магнитике на холодильник. Мы слушаем цифровую музыку с помощью динамиков, в которых используются магнитные катушки, преобразующие электрическую энергию в механическую энергию — звук. Электромагнитное излучение, или свет, также является результатом этого взаимодействия.

Электрические и магнитные силы кажутся вам не связанными? При случайном понимании они могли бы, и на протяжении долгой части истории они считались отдельными явлениями. И электричество, и магнетизм связаны с электрическими зарядами атомов. Атомы состоят из положительно заряженных протонов, нейтрально заряженных нейтронов и отрицательно заряженных электронов. Поскольку все атомы и материя состоят из электрически заряженных частиц, атомы оказывают электрические силы друг на друга и могут превращаться в заряженный ион, получая или теряя заряд.

Электрические силы возникают из-за неподвижных зарядов, а магнитные силы возникают из-за зарядов, движущихся внутри материала, например, магнита или проволоки. По сути, электричество и магнетизм - это одно и то же взаимодействие.

Электромагнитное доминирование

Хотя электромагнитная сила сильнее гравитации на невероятно большой коэффициент, гравитация по—прежнему доминирует в большинстве пространственных масштабов - почему? Электромагнитные заряды могут быть нейтрализованы друг другом, но гравитация не может, поскольку не существует известной версии гравитации, которая отталкивала бы. Поскольку атомы чаще всего заряжены нейтрально, гравитация продолжает оставаться доминирующей силой в звездном, галактическом и вселенском масштабах.

Слабое ядерное взаимодействие

Слабое ядерное взаимодействие является вторым по слабости фундаментальным взаимодействием и управляет некоторыми важными атомными процессами.

Слабая ядерная сила управляет ключевыми ядерными взаимодействиями между частицами на субатомных масштабах, в основном электронами, протонами и нейтронами.

Слабое ядерное взаимодействие является причиной радиоактивного распада радиоактивных атомов с течением времени. Слабая силав разы сильнее гравитационной силы, но действует только на очень малых расстояниях — субатомного масштаба, даже не диаметром целого атома!

Радиоактивные атомы - это нестабильные атомы, которые испускают частицы в процессе, называемом бета-распадом, пытаясь достичь более стабильного состояния. Если в ядре атома слишком много нейтронов, нейтрон может распасться на протон, высвобождая при этом высокоскоростной электрон или позитрон. Эти испускаемые высокоскоростные частицы - это то, что мы знаем как излучение. Слабое ядерное взаимодействие является движущей силой этого распада.

Слабая сила также является движущей силой ядерного синтеза, процесса, через который проходит наше солнце и другие звезды, сжигая газ и создавая все более тяжелые элементы в своих ядрах. В ядре звезды атомы водорода сливаются вместе и создают атомы гелия. При этом высвобождаются очень маленькие частицы и энергия в форме света и тепла.

Сильное ядерное взаимодействие

Сильное взаимодействие или сильное ядерное взаимодействие является последней и самой сильной фундаментальной силой. Как и слабое взаимодействие, сильное взаимодействие имеет ограниченный диапазон действия.

Сильное ядерное взаимодействие - это сила притяжения, которая удерживает атомные ядра вместе. Сами протоны и нейтроны состоят из еще более мелких частиц, удерживаемых вместе сильным ядерным взаимодействием.

Чтобы получить представление о том, насколько сильна эта сила, вспомните об электромагнитном взаимодействии ранее: подобные заряды имеют отталкивающую природу и, естественно, не хотят разделять ограниченное пространство. Все протоны заряжены положительно и отталкиваются друг от друга. Тем не менее, ядро атома состоит из протонов, разделяющих небольшое пространство с нейтронами — сильная сила полностью доминирует над электромагнитной силой, чтобы удерживать ядро вместе.

Сильное ядерное взаимодействие также способствует ядерным процессам, таким как термоядерный синтез. Когда два ядра находятся достаточно близко, например, в ядре звезды, доминирует сильная сила и притягивает два ядра вместе. Два ядра сливаются и создают новый более тяжелый элемент.

Примеры фундаментальных сил

Фундаментальные взаимодействия происходят вокруг нас постоянно. Давайте рассмотрим еще несколько примеров фундаментальных сил.

Полярные сияния, подобные Северному сиянию, являются результатом движения заряженных электронов по спирали через магнитное поле Земли. Когда эти высокоскоростные электроны врезаются в молекулы газа в нашей атмосфере, выделяется энергия в форме света.

Электромагнитные силы управляют множеством процессов и сил, помимо более очевидных примеров, таких как бытовая техника и статическое электричество. Электромагнитная сила не только помогает удерживать атомы вместе, но и предотвращает прохождение твердых объектов друг через друга.

Нормальные силы и силы трения - это на самом деле просто электромагнитные взаимодействия. Когда вы сидите в своем рабочем кресле, электроны в материале стула отталкивают электроны в вашем теле и одежде. На ваш стул и тело действуют силы, равные по величине и противоположные по направлению, и из-за этой отталкивающей природы заряженных частиц вы можете отдыхать на стуле, а не проваливаться сквозь него или сталкиваться.

Поскольку слабые ядерные взаимодействия встречаются реже, поначалу их может быть сложнее идентифицировать. Важным применением слабого ядерного взаимодействия является использование углеродного датирования для оценки возраста многих объектов.

Все живое на нашей планете поглощает некоторое количество углерода-14, радиоактивной формы углерода с двумя дополнительными нейтронами. Со временем оставшийся углерод-14 будет испытывать бета-распад из-за слабого ядерного взаимодействия. Мы можем использовать углеродное датирование для оценки возраста материалов и останков, подобных скелетам, поскольку мы знаем время, необходимое для того, чтобы углерод-14 потерял половину своего первоначального количества, и в старых образцах останется меньше углерода-14, чем в новых образцах.

К настоящему времени важность четырех фундаментальных сил должна быть довольно ясной — можно с уверенностью сказать, что вселенная без фундаментальных сил, управляющих ее составом и движением, выглядела бы совсем по-другому, если бы она вообще могла существовать.

Фундаментальные силы - ключевые выводы

Четыре фундаментальные силы Вселенной являются важными описателями физических процессов, которые управляют движением и составом всех объектов.
Гравитация является самой слабой фундаментальной силой и вызывает притяжение всех масс на всех расстояниях во Вселенной.
Электромагнитная сила одновременно притягивает и отталкивает и объясняет взаимодействия между заряженными частицами, такими как электроны и протоны.
Слабая ядерная сила управляет важными атомными взаимодействиями, такими как радиоактивный распад.
Сильное ядерное взаимодействие является самой сильной фундаментальной силой и представляет собой взаимодействие притяжения, которое связывает атомные ядра вместе, преодолевая отталкивание зарядов протонов.
Масштабы расстояния, на которых мы изучаем определенный процесс, определяют, какая фундаментальная сила, по-видимому, доминирует.