Маргарита человек разумный часть 99
Четыре движущих силы Вселенной
Мы хорошо знаем силу гравитации, которая держит нас на земле и затрудняет полёт на Луну. И электромагнетизм, благодаря которому мы не распадаемся на отдельные атомы и можем включать в розетку ноутбуки. Физик рассказывает о ещё двух силах, делающих Вселенную именно такой, какая она есть.
Со школьной скамьи все мы хорошо знаем закон Всемирного тяготения и закон Кулона. Первый объясняет нам, как взаимодействуют (притягиваются) друг с другом массивные объекты типа звёзд и планет. Другой же показывает (вспомним опыт с эбонитовой палочкой), какие силы притяжения и отталкивания возникают между электрически заряженными предметами.
Но исчерпывается ли этим всё множество сил и взаимодействий, которые определяют облик наблюдаемой нами Вселенной?
Современная физика говорит о том, что во Вселенной существуют четыре типа основных (фундаментальных) взаимодействий между частицами. О двух из них я уже сказал выше и с ними, казалось бы, всё просто, т. к. проявления их постоянно окружают нас в повседневной жизни: это гравитационное и электромагнитное взаимодействие.
Так, за счёт действия первого мы крепко стоим на земле и не улетаем в открытый космос. Второе же, например, обеспечивает притяжение электрона к протону в атомах, из которых все мы состоим и, в конечном счёте, притяжение атомов друг к другу (т. е. оно ответственно за образование молекул, биологических тканей и т. д.). Так что именно из-за сил электромагнитного взаимодействия, например, оказывается, что снести голову надоевшему соседу не так уж просто, и с этой целью нам приходится прибегать к помощи топора разнообразных подручных средств.
Но есть ещё, так называемое, сильное взаимодействие. За что ответственно оно? Не удивлял ли вас в школе тот факт, что, несмотря на утверждение закона Кулона о том, что два положительных заряда должны отталкиваться друг от друга (лишь противоположные притягиваются), ядра многих атомов преспокойно существуют себе. А ведь состоят они, как вы помните, из протонов и нейтронов. Нейтроны — они на то и нейтроны, что нейтральны и электрического заряда не имеют, а вот протоны заряжены положительно. И что же, спрашивается, за силы, могут удержать вместе (на расстоянии в одну триллионную долю микрона — что в тысячу раз меньше самого атома!) несколько протонов, которые, по закону Кулона, должны со страшной энергией отталкиваться друг от друга?
Сильное взаимодействие — обеспечивает притяжение между частицами в ядре; электростатическое — отталкивание
Вот эту поистине титаническую задачу по преодолению Кулоновых сил берёт на себя сильное взаимодействие. Так что, ни много, ни мало, за счёт него протоны (как, впрочем, и нейтроны) в ядре всё же притягиваются друг к другу. Кстати, сами протоны и нейтроны также состоят из ещё более «элементарных» частиц — кварков. Так вот кварки также взаимодействуют и притягиваются друг к другу «сильно». Но, к счастью, в отличие от того же гравитационного взаимодействия, которое работает и на космических расстояниях во многие миллиарды километров, сильное взаимодействие является, как говорят, короткодействующим. Это означает, что поле «сильного притяжения», окружающее один протон работает лишь на крохотных масштабах, сопоставимых, собственно, с размерами ядра.
Поэтому, например, протон, сидящий в ядре одного из атомов, не может, наплевав на Кулоновское отталкивание, взять, да «сильно» притянуть к себе протон из соседнего атома. В противном случае, вся протонная и нейтронная материя во Вселенной смогла бы «притянуться» к общему центру масс и образовать одно огромное «суперядро». Нечто похожее, впрочем, происходит в толще нейтронных звёзд, в одну из которых, как можно ожидать, однажды (лет эдак миллиардов через пять) сожмётся наше Солнце.
Итак, четвёртое и последнее из фундаментальных взаимодействий в природе — это, так называемое, слабое взаимодействие. Не даром оно так названо: мало того, что работает оно даже на ещё более коротких, чем сильное взаимодействие, расстояниях, так ещё и мощи оно весьма малой. Так что, в отличие своего сильного «собрата», Кулоновского отталкивания, оно никак не перетянет.
Ярким примером, демонстрирующим слабость слабых взаимодействий, являются частицы под называнием нейтрино (можно перевести как «маленький нейтрон», «нейтрончик»). Эти частицы, по природе своей, в сильных взаимодействиях не участвующие, электрического заряда не имеющие (оттого не восприимчивые и к электромагнитным взаимодействиям), массой обладающие ничтожной даже по меркам микромира и, следовательно, практически нечувствительные к гравитации, по факту, способны лишь к слабым взаимодействиям.
Чо? Нейтрино сквозь меня проходят?!
При этом, во Вселенной нейтрино нарождается в количествах поистине колоссальных, и огромный поток этих частиц постоянно пронизывает толщу Земли. Например, в объёме спичечного коробка, в среднем, в каждый момент времени находится штук 20 нейтрино. Таким образом, можно представить себе, огромную бочку с водой-детектор, о которой я писал в своём прошлом посте, и то неимоверное количество нейтрино, которое в каждый момент времени пролетает через неё. Так вот учёным, работающим на этом детекторе обычно приходится месяцами ждать такого счастливого случая, чтоб хотя бы один нейтрино «почувствовал» их бочку и своими слабыми силами провзаимодействовал в ней.
Однако ж, даже несмотря на слабость свою, это взаимодействие играет очень немаловажную роль во Вселенной и в жизни человека. Так, именно оно оказывается ответственным за один из видов радиоактивности — именно, бета-распад, являющийся вторым (после гамма-радиоактивности) по степени опасности своего воздействия на живые организмы. И, что не менее важно, без слабого взаимодействия невозможно было бы протекание термоядерных реакций, протекающих в недрах многих звёзд и ответственных за выделение энергии светила.
Такая вот четвёрка всадников Апокалипсиса фундаментальных взаимодействий правит во Вселенной бал: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.
Какие силы вы знаете? Силу тяжести, натяжения нити, сжатия пружины, столкновения тел, силу трения, взрыва, сопротивления воздуха и среды, поверхностного натяжения жидкости, силы Ван-дер-Ваальса — и на этом список вовсе не заканчивается. Но все эти силы — производные четырёх фундаментальных! О них и пойдёт речь.
Эта статья была опубликована в журнале OYLA №6(34). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.
Четыре силы
Основой основ физических законов являются четыре фундаментальных взаимодействия, которые отвечают за все процессы во Вселенной. Если элементарные частицы можно сравнить с кирпичиками бытия, то взаимодействия — это цементный раствор. Сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное — именно в таком порядке, от сильного к слабому, рассматриваются взаимодействия. Их нельзя свести к более простым — поэтому они и называются фундаментальными.
Прежде чем приступать к описанию сил, необходимо объяснить, что подразу¬мевается под словом взаимодействие. Физики рассматривают его как результат обмена некими посредниками, их принято называть переносчиками взаимодействия.
Начнём с самого интенсивного. Сильное взаимодействие было открыто в 30 х годах прошлого столетия в период активного исследования атома. Оказалось, что целостность и стабильность его ядра как раз и обеспечивается чрезвычайно сильным взаимодействием нуклонов между собой.
Нуклоны (от лат. nucleus — ядро) — ¬общее название для протонов и нейтронов, главных компонентов ядра атома. С точки зрения сильного взаимодействия эти частицы неразличимы. Нейтрон тяжелее протона на 0,13% — это оказалось достаточно, чтобы стать единственной из имеющих массу покоя элементарных частиц, для которой наблюдалось гравитационное взаимодействие.
Содержимое ядер притягивается друг к другу за счёт особых квантов — ¬;-мезонов, являющихся «официальными» переносчиками сильного взаимодействия. Такая ядерная сила в 1038 раз интенсивнее самого слабого взаимодействия — гравитационного. Если бы сильное взаимодействие вдруг исчезло, атомы во Вселенной моментально распались бы. За ними молекулы, далее вещество — вся окружающая нас действительность перестала бы существовать, за исключением элементарных частиц. Интересной особенностью их «взаимоотношений» является близкодействие: положительно заряженные частицы, протоны, притягиваются друг к другу только при непосредственном соприкосновении.
Если протоны удалены на некоторое расстояние друг от друга, возникает электро¬магнитное взаимодействие, при котором одноимённо заряженные частицы отталкиваются, а разноимённо заряженные — притягиваются. В случае незаряженных частиц эта сила не возникает — вспомним знаменитый закон Кулона о неподвижных точечных электрических зарядах. Переносчиками электромагнитных сил являются фотоны, обеспечивающие помимо прочего перенос энергии Солнца к нашей планете. Исключение этой силы грозит Земле полным замерзанием. Электромагнитное взаимодействие сильнее гравитационного в 1035 раз, то есть всего в 100 раз слабее ядерного.
Природа предусмотрела ещё одну фундаментальную силу, отличающуюся исчезающе малой интенсивностью и очень незначительным радиусом действия (меньше атомного ядра). Это слабое взаимодействие — его переносчиками выступают особые заряженные и нейтральные бозоны. Сферой ответственности слабых сил является прежде всего бета-распад нейтрона, сопровождающийся образованием протона, электрона и (анти-)нейтрино. Подобные превращения активно идут на Солнце, что и определяет важность этого фундаментального взаимодействия для нас с вами.
(Не)изведанная гравитация
Все описанные силы достаточно подробно изучены и органично встроены в физическую картину мира. Однако последняя сила, гравитационная, отличается столь малой интенсивностью, что о её сущности до сих пор приходится гадать.
Парадоксальность гравитационного взаимодействия в том, что мы его ежесекундно ощущаем, но никак не можем зафиксировать переносчика. Есть лишь предположение о существовании гипотетического кванта гравитона, обладающего скоростью света. Он способен к интерференции и дифракции, но обделён зарядом. Учёные полагают, что, когда одна частица испускает гравитон, изменяется характер её движения, — аналогичная ситуация складывается с частицей, принимающей квант. Уровень развития техники пока не позволяет нам «увидеть» гравитон и более подробно изучить его свойства. Интенсивность гравитации в 1025 раз меньше слабого взаимодействия.
Как же так, скажете вы, сила притяжения совсем не кажется слабой! В этом и заключаются уникальные свойства фундаментального взаимодействия №;4. Например, универсальность — любое тело с любой массой создаёт в пространстве гравитационное поле, способное проникать сквозь любое препятствие. Причём сила гравитации увеличивается с массой объекта — свойство, характерное только для этого взаимодействия.
Вот почему гигантская по сравнению с человеком Земля создаёт вокруг себя гравитационное поле, удерживающее на поверхности воздух, воду, горные породы и, конечно, живую оболочку. Если одномоментно отменить гравитацию, скорость, с которой мы с вами отправимся в космос, составит 500 м/с. Наравне с электромагнитным взаимодействием гравитация обладает большой дальностью действия. Поэтому её роль в системе движущихся тел во Вселенной огромна. Даже между двумя людьми, находящимися на значительном расстоянии друг от друга, существует микроскопическое гравитационное притяжение.