Фундаментальные силы физики

"Мудрый человек требует всего только от себя, ничтожный же человек требует всего от других." Лев Толстой ZMEY
Время на прочтение: 3 минут(ы)

Фундаментальные силы физики

Фундаментальные силы (или фундаментальные взаимодействия) физики – это способы взаимодействия отдельных элементарных частиц друг с другом. Для каждого отдельного взаимодействия, наблюдаемого во Вселенной, можно выделить четыре типа взаимодействий:

  • Гравитационное
  • Электромагнитное
  • Слабое взаимодействие
  • Сильное взаимодействие

Гравитация

Из фундаментальных сил гравитация имеет самую дальнюю досягаемость, но она является самой слабой из сил. По сути, это сила, которая даже через пустоту миллионов километров пространства притягивает две массы друг к другу. Она удерживает планеты на орбите вокруг Солнца, а Луну на орбите вокруг Земли. Гравитация описывается в общей теории относительности, которая определяет ее как кривизну пространства-времени вокруг объекта массы.

Рис.1 Искривление пространства-времени вокруг любого массивного объекта определяется сочетанием массы и расстояния до центра массы (Источник: medium.com)
Рис.1 Искривление пространства-времени вокруг любого массивного объекта определяется сочетанием массы и расстояния до центра массы (Источник: medium.com)

Электромагнетизм

Электромагнетизм – это взаимодействие частиц с электрическим зарядом. Заряженные частицы в состоянии покоя взаимодействуют посредством электростатических сил, а в движении они взаимодействуют посредством как электрических, так и магнитных сил.

Долгое время электрические и магнитные силы считались различными силами, но в конце концов были объединены Джеймсом Клерком Максвеллом в 1864 году по его уравнениям. В 1940-х годах квантовая электродинамика объединила электромагнетизм с квантовой физикой.

Электромагнетизм, пожалуй, самая распространенная сила в нашем мире, поскольку она может влиять на вещи на разумном расстоянии и с изрядной силой.

Рис.2 Молния – это электростатический разряд, который движется между двумя заряженными областями. Его принцип основан на действии электромагнитной силы (Фото: digiato.com)
Рис.2 Молния – это электростатический разряд, который движется между двумя заряженными областями. Его принцип основан на действии электромагнитной силы (Фото: digiato.com)

Слабое взаимодействие

Слабое взаимодействие – очень мощная сила, действующая в масштабах атомного ядра, вызывающая такие явления, как радиоактивный распад. Она была объединена с электромагнетизмом как единое взаимодействие, называемое “электрослабым”.

Слабое взаимодействие происходит только при очень малых, субатомных расстояниях, меньше диаметра протона.

Важными примерами явлений, связанных со слабым взаимодействием, можно назвать бета-распад (тип радиоактивного распада, при котором электрон, позитрон и нейтрино испускаются из атомного ядра) и синтез гелия из водорода, который приводит в действие термоядерный процесс Солнца. Кроме того, распад фермионов делает возможным радиоуглеродное датирование.

Рис.3 Радиоактивный бета-распад обусловлен слабым взаимодействием, которое превращает нейтрон в протон, электрон и электронный антинейтрино (Источник: Википедия).
Рис.3 Радиоактивный бета-распад обусловлен слабым взаимодействием, которое превращает нейтрон в протон, электрон и электронный антинейтрино (Источник: Википедия).

Сильное взаимодействие

Самая мощная из сил – которая, помимо прочего, удерживает нуклоны (протоны и нейтроны) связанными вместе. Например, в атоме гелия она удерживает вместе два протона, несмотря на то, что их положительные электрические заряды заставляют их отталкивать друг друга.

По сути, сильное взаимодействие позволяет частицам, называемым глюонами (элементарные безмассовые частицы, переносчики сильного взаимодействия), связывать кварки, создавая в первую очередь нуклоны. Глюоны также могут взаимодействовать с другими глюонами, что дает сильному взаимодействию теоретически бесконечное расстояние, хотя все его основные проявления находятся на субатомном уровне.

Рис. 4 Сильное взаимодействие удерживает два антипротона (Источник: physicsworld.com)
Рис. 4 Сильное взаимодействие удерживает два антипротона (Источник: physicsworld.com)

Объединение фундаментальных сил

Многие физики полагают, что все четыре фундаментальные силы, по сути, являются проявлениями единой базовой (или объединенной) силы, которая пока не обнаружена. Подобно тому, как электричество, магнетизм и слабая сила были объединены в электрослабое взаимодействие, ученые работают, чтобы объединить все фундаментальные силы вместе.

Современная квантово-механическая интерпретация этих сил заключается в том, что частицы не взаимодействуют напрямую, а скорее проявляются виртуальными частицами, которые опосредуют реальные взаимодействия. Все силы, кроме силы тяжести, были объединены в эту “Стандартную модель” взаимодействия.

Объединение гравитации с тремя другими фундаментальными силами называется квантовой гравитацией. Это предполагает существование виртуальной частицы, называемой гравитоном, которая была бы опосредующим элементом в гравитационных взаимодействиях. Поскольку до настоящего времени гравитоны обнаружены не были, то и теория квантовой гравитации не стала универсальной.






Поделиться ссылкой:

Единый Указатель Ресурса: https://zmeinogorsk.ru/fundamentalnye-sily-fiziki/

Related posts

Leave a Comment

18 − 11 =