Від прогулянки вулицею, до запуску ракети в космос, до наклеювання магніту на холодильник, фізичні сили діють навколо нас. Але всі сили, які ми відчуваємо щодня (і багато, що ми не усвідомлюємо, що відчуваємо кожен день), можна звести до чотирьох основних сил:
- Гравітація.
- Слабка сила.
- Електромагнетизм.
- Сильна сила.
Вони називаються чотирма основними силами природи, і вони керують усім, що відбувається у Всесвіті.
Гравітація
Гравітація - це потяг між двома об'єктами, які мають масу чи енергію, будь то в тому, що це скидається скеля з мосту, планети, що обертається навколо зірки, або місяця, що викликає припливи океану. Гравітація, мабуть, найбільш інтуїтивна і знайома з основних сил, але це також було одним із найскладніших для пояснення.
Ісаак Ньютон першим запропонував ідею сили тяжіння, нібито натхненну яблуком, що падає з дерева. Він описав гравітацію як буквальне тяжіння між двома об'єктами. Століттями пізніше Альберт Ейнштейн припустив, що завдяки своїй теорії загальної відносності гравітація не є тяжінням чи силою. Натомість це наслідок згинання об'єктів простір-час. Великий предмет працює на просторі-часі трохи схожий на те, як велика кулька, розміщена посередині аркуша, впливає на цей матеріал, деформуючи його і спричиняючи падіння інших, менших предметів на аркуші до середини.
Хоча гравітація містить планети, зірки, сонячну систему і навіть галактики разом, вона виявляється найслабшою з основних сил, особливо на молекулярному та атомному масштабах. Подумайте про це так: Наскільки важко підняти кульку з землі? Або підняти ногу? Або стрибати? Усі ці дії є протидією тяжкості всієї Землі. А на молекулярному та атомному рівнях гравітація майже не впливає відносно інших основних сил.
Слабка сила
Слабка сила, яку ще називають слабкою ядерною взаємодією, відповідає за розпад частинок. Це буквальна зміна одного типу субатомних частинок на інший. Так, наприклад, нейтрино, який збивається близько до нейтрона, може перетворити нейтрон у протон, поки нейтрино стане електроном.
Фізики описують цю взаємодію шляхом обміну силовими частинками, які називаються бозонами. Конкретні види бозонів відповідають за слабку силу, електромагнітну силу та сильну силу. При слабкій силі бозони заряджаються частинками, які називаються W і Z бозонами. Коли субатомні частинки, такі як протони, нейтрони та електрони, потрапляють один до одного в межах 10 ^ -18 метрів або 0,1% діаметра протона, вони можуть обмінюватися цими бозонами. Як результат, субатомні частинки розпадаються на нові частинки, йдеться на сайті HyperPhysics Державного університету Джорджії.
Слабка сила є критичною для реакцій ядерного синтезу, які живлять Сонце і виробляють енергію, необхідну для більшості форм життя тут, на Землі. Тому археологи можуть використовувати вуглець-14 для давніх давніх кісток, деревини та інших раніше живих артефактів. Карбон-14 має шість протонів і вісім нейтронів; один з цих нейтронів розпадається на протон, отримуючи азот-14, який має сім протонів і сім нейтронів. Цей занепад відбувається з передбачуваною швидкістю, що дозволяє вченим визначити, скільки років такі артефакти.
Електромагнітна сила
Електромагнітна сила, яка також називається силою Лоренца, діє між зарядженими частинками, як негативно заряджені електрони та позитивно заряджені протони. Протилежні заряди притягують одне одного, тоді як звинувачення відштовхуються. Чим більший заряд, тим більша сила. І подібно до сили тяжіння, цю силу можна відчути з нескінченної відстані (хоча сила на цій відстані була б дуже-дуже малою).
Як видно з назви, електромагнітна сила складається з двох частин: електричної сили та магнітної сили. Спочатку фізики описали ці сили як окремі одна від одної, але пізніше дослідники зрозуміли, що ці дві складові однієї сили.
Електричний компонент діє між зарядженими частинками, рухомими чи нерухомими, створюючи поле, за допомогою якого заряди можуть впливати один на одного. Але як тільки вони прийшли в рух, ці заряджені частинки починають відображати другий компонент, магнітну силу. Частинки створюють навколо них магнітне поле, коли вони рухаються. Так, наприклад, коли електрони наближаються до дроту, щоб зарядити комп’ютер чи телефон або включити телевізор, наприклад, провід стає магнітним.
Електромагнітні сили передаються між зарядженими частинками шляхом обміну безмассовими, несучими силою бозони, звані фотонами, які також є частинками світла. Проте фотони, що несуть силу, що змінюються між зарядженими частинками, є різним проявом фотонів. Вони віртуальні та невизначні, хоча технічно такі ж частинки, як і реальна та виявлена версія, повідомляє університет Теннессі, Ноксвілл.
Електромагнітна сила є причиною деяких найпоширеніших явищ: тертя, пружність, нормальна сила і сила, що утримує тверді тіла разом у заданій формі. Це навіть відповідає за тягу, яке відчувають птахи, літаки та навіть Супермен під час польоту. Ці дії можуть відбуватися через взаємодію між собою заряджених (або нейтралізованих) частинок. Нормальна сила, яка тримає книгу поверх столу (замість сили тяжіння тягне книгу до землі), наприклад, є наслідком того, що в атомах таблиці електрони відштовхують електрони в атомах книги.
Сильна ядерна сила
Сильна ядерна сила, яку ще називають сильною ядерною взаємодією, є найсильнішою з чотирьох основних сил природи. Це на 6 тис. Трлн трлн (це на 39 нулів після 6!) Разів сильніше сили тяжіння, повідомляється на сайті HyperPhysics. І це тому, що вона зв’язує основні частинки речовини разом, утворюючи більші частинки. Він утримує разом кварки, що складають протони та нейтрони, а частина сильної сили також утримує протони та нейтрони ядра атома разом.
Як і слабка сила, сильна сила діє лише тоді, коли субатомні частинки надзвичайно близькі одна до одної. Вони повинні знаходитися десь в межах 10 ^ -15 метрів один від одного, або приблизно в діаметрі протона, згідно з веб-сайтом HyperPhysics.
Сильна сила дивна, однак, на відміну від будь-якої іншої основної сили, вона слабшає, коли субатомні частинки рухаються ближче один до одного. Він фактично досягає максимальної сили, коли частинки віддалені одна від одної, за словами Фермілаба. Потрапивши в діапазон, безмасштабні заряджені бозони, які називаються глюонами, передають сильну силу між кварками і утримують їх "склеєними" між собою. Мізерна частка сильної сили, яка називається залишковою силою, діє між протонами та нейтронами. Протони в ядрі відштовхуються один від одного через аналогічний заряд, але залишкова сильна сила може подолати це відштовхування, тому частинки залишаються зв’язаними в ядрі атома.
Об'єднавча природа
Вирішене питання чотирьох основних сил полягає в тому, чи є вони насправді проявом лише однієї великої сили Всесвіту. Якщо так, кожен з них повинен мати змогу злитися з іншими, і вже є докази того, що вони можуть.
Фізики Шелдон Глашоу та Стівен Вайнберг із Гарвардського університету разом із Абдусом Саламом з Імперського коледжу Лондона отримали Нобелівську премію з фізики у 1979 році за об'єднання електромагнітної сили зі слабкою силою, щоб сформувати концепцію сили електрослаблення. Фізики, які працюють над пошуком так званої великої уніфікованої теорії, мають на меті об'єднати електрослабку з сильною силою для визначення електроядерної сили, яку передбачили моделі, але дослідники ще не спостерігали. Заключний фрагмент головоломки потребував би об'єднання сили тяжіння з електроядерною силою, щоб розробити так звану теорію всього, теоретичну основу, яка могла б пояснити весь Всесвіт.
Однак фізикам виявилося досить складно злити мікроскопічний світ з макроскопічним. У великих і особливо астрономічних масштабах гравітація домінує і найкраще описується теорією загальної відносності Ейнштейна. Але в молекулярних, атомних або субатомних масштабах квантова механіка найкраще описує природний світ. І поки що ніхто не придумав хорошого способу злити ці два світи.
Фізики, які вивчають квантову гравітацію, прагнуть описати силу з точки зору квантового світу, яка могла б допомогти при злитті. Фундаментальним для цього підходу було б виявлення гравітонів, теоретичного бозона сили тяжіння. Гравітація - єдина фундаментальна сила, яку фізики в даний час можуть описати, не використовуючи частинки, що несуть силу. Але оскільки описи всіх інших фундаментальних сил потребують частинок, що несуть силу, вчені очікують, що гравітони повинні існувати на субатомному рівні - дослідники просто ще не знайшли цих частинок.
Подальше ускладнення історії - це невидима сфера темної матерії та темної енергії, які становлять приблизно 95% Всесвіту. Незрозуміло, чи складається темна матерія та енергія з однієї частинки або цілого набору частинок, які мають власні сили та бозони вісника.
Основна частинка месенджера, яка представляє інтерес, є теоретичним темним фотоном, який би опосередковував взаємодію видимого та невидимого Всесвіту. Якщо існують темні фотони, вони були б ключем до виявлення невидимого світу темної матерії і могли б призвести до відкриття п'ятої фундаментальної сили. Поки, однак, немає ніяких доказів існування темних фотонів, і деякі дослідження запропонували вагомі докази того, що цих частинок не існує.
