4 силы в физике: как работают четыре главные силы природы

4 главных силы Вселенной

• Наука
• / Физика

19 октября 2018 г. | Автор: Евгений Фёдоров

4 главных силы Вселенной

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 подразу­мевается 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 — ­π-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

электро­магнитное 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.

Гравитационная пушка — вымышленное оружие, создающее локальное гравитационное поле. Оружие позволяет притягивать, поднимать и кидать предметы за счёт силы, генерируемой полем. Впервые эту концепцию использовали в компьютерной игре Half-life 2.

Представьте себе крутящийся волчок, вертикально закреп­лённый в центре кольцевой рамы, свободно вращающейся вокруг горизонтальной оси.

Эта рама — назовём её внутренней — в свою очередь закреплена на внешней кольцевой раме, также свободно вращающейся в горизонтальной плоскости. Конструкция вокруг волчка получила название карданова подвеса, а всё вместе это гироскоп. 

В состоянии покоя волчок в гироскопе мирно вращается в вертикальном положении, но как только внешние силы — например, ускорение — пытаются повернуть ось вращения волчка, он разворачивается перпендикулярно этому воздействию. Как бы мы ни старались повернуть волчок в гироскопе, он всё равно будет вращаться в вертикальном положении. Самые совершенные гироскопы реагируют даже на вращение Земли, что впервые продемонстрировал француз

Жан Бернар Фуко в 1851 году. Если оснастить гироскоп датчиком, считывающим положение волчка относительно рамы, мы получим точное навигационное устройство, позволяющее отслеживать движение объекта в пространстве — например, самолёта.

Гравитационные эффекты

Гравитация может сыграть злую шутку с крупными, гораздо массивнее Земли, объектами в космосе — например, звёздами на поздних стадиях эволюции. Сила притяжения сжимает звезду и в определённый момент пересиливает внутреннее давление. Когда радиус такого объекта становится меньше гравитационного, происходит

коллапс, и звезда гаснет. От неё не исходит больше никакая информация, даже световые лучи не могут преодолеть гигантскую силу притяжения. Так рождается чёрная дыра.

У планет, объектов значительно более миниатюрных, свои гравитационные особенности. Так, Земля за счёт собственной ­массы искривляет пространство-­время и закручивает его своим вращением! Эти явления получили название геодезической прецессии и гравитомагнитного эффекта соответственно.

Что такое геодезическая прецессия? Представим, что по орбите нашей планеты движется объект, на поверхности которого (в невесомости) с большой скоростью вращается волчок. Его ось будет отклоняться в направлении движения с интенсивностью 6,6 угловой секунды в год. Земля искривляет своей массой окружающее пространство-время, со­здавая в нём подобие выемки.

Гравитомагнитный эффект (эффект Лензе — Тирринга) хорошо иллюстрирует вращение палочки в густом мёде: она увлекает за собой тягучую сладкую массу, образуя спиралевидное завихрение. Так и Земля вращением закручивает вокруг своей оси «медовое» пространство-­время. А фиксируется это опять-таки осью волчка, отклоняющегося в сторону вращения Земли на микроскопические 0,04 угловой секунды в год.

Наша планета своей гравитацией оказывает влияние на время и пространство. Это утверждение долгое время оставалось лишь гипотезой Эйнштейна и его последователей, пока в 2004 году американцы не запустили спутник Gravity Probe-B. Аппарат вращался по полярной орбите Земли и был оснащён точнейшими в мире гироскопами — усложнёнными аналогами волчков. О сложности этих технических шедевров говорит тот факт, что неровности на шариках гироскопов не превышали двух-трёх атомов. Если увеличить эти миниатюрные сферы до размеров Земли, то высота самой большой неровности не превысит трёх метров! Такие ухищрения понадобились, чтобы экспериментально установить то самое искривление пространства-времени.

И после 17 месяцев работы на орбите оборудование зафиксировало смещение осей вращения сразу четырёх супергироскопов!

В ходе эксперимента Gravity Probe-B были доказаны два эффекта Общей теории относительности: искривление пространства-времени (геодезическая прецессия) и появление дополнительного ускорения вблизи массивных тел (гравитомагнитный эффект)

У гравитации есть масса других, гораздо более явных эффектов. Например, в нашем организме нет ни одного органа, который бы не был адаптирован к земному притяжению.

Именно поэтому человеку так непривычно и даже опасно длительное время находиться в состоянии невесомости: кровь перераспределяется по организму таким образом, что оказывает чрезмерное давление на сосуды головного мозга, а кости со временем отказываются усваи­вать соли кальция и становятся ломкими, как тростник. Только постоянными физическими нагрузками человек может частично оградить себя от последствий невесомости.

Гравитационное поле Луны оказывает влияние на Землю и её обитателей — о приливах-отливах знают все. За счёт центробежной силы Луна отдаляется от нас на 4 см в год, и интенсивность приливов неумолимо снижается. В доисторический период Луна была гораздо ближе к Земле, и, соответственно, приливы были значительными. Возможно, это стало главным фактором, предопределившим выход живых организмов на сушу.

Несмотря на то что мы до сих пор не знаем, какая частица отвечает за гравитацию, мы можем её измерить! Для этого используется специальный прибор — гравиметр, с которым активно работают геологи в поисках полезных ископаемых. 

В толще земной поверхности горные породы имеют разную плотность, а следовательно, и сила гравитации у них будет различаться. Так можно определить месторождения лёгких углеводородов (нефти и газа), а также плотные породы металлических руд. Измеряют силу притяжения, фиксируя малейшие изменения скорости свободного падения тела с известной массой или хода маятника. Для этого даже ввели специальную единицу измерения — Гал (Gal) в честь Галилео Галилея, который первым в истории определил силу тяжести, замерив путь свободно падающего тела. 

Многолетние исследования силы притяжения Земли из космоса позволили создать карту гравитационных аномалий нашей планеты. Резкое увеличение силы гравитации на отдельном участке суши может быть предвестником землетрясения или извержения вулкана.

Исследование фундаментальных взаи­модействий пока только набирает обороты. Нельзя сказать с уверенностью, что сил всего четыре, — их может быть и пять, и десять. Учёные пытаются собрать все взаимодействия под «крышей» одной модели, однако до её создания ещё ох как далеко. А главным центром притяжения становится гипотетический гравитон. Скептики утверждают, что человек никогда не сможет зафиксировать этот квант, так как его интенсивность слишком мала, но оптимисты верят в будущее технологий и методов физики. Поживём — увидим.

Тэги:

физикаэлектромагнитная волнагравитационные волнынаночастицыкварк

Четыре силы природы . Пять возрастов Вселенной [В глубинах физики вечности]

Природу можно описать с помощью четырех фундаментальных сил, которые, в конечном итоге, управляют динамикой всей Вселенной; это гравитация, электромагнитная сила, сильное ядерное взаимодействие и слабое ядерное взаимодействие. Все эти силы играют важную роль в биографии космоса. Они сделали нашу Вселенную такой, какой мы знаем ее сегодня, и будут править в ней впредь.

Первая из этих сил, гравитационная, наиболее близка к нашей повседневной жизни, причем она самая слабая из четырех. Однако, по причине обширности диапазона ее действия и исключительно притягивающей природы, на достаточно больших расстояниях гравитация доминирует над остальными силами. Благодаря гравитации различные предметы удерживаются на поверхности Земли, а сама Земля остается на орбите, по которой она вращается вокруг Солнца. Гравитация поддерживает существование звезд и управляет процессом образования в них энергии, а также их эволюцией. Наконец, именно гравитация отвечает за образование большинства структур во Вселенной, включая галактики, звезды и планеты.

Вторая сила — электромагнитная; она имеет электрическую и магнитную составляющие. На первый взгляд, они могут показаться различными, однако на фундаментальном уровне это всего лишь два аспекта единой основной силы. Несмотря на то, что внутренне электромагнитная сила намного сильнее гравитационной, на больших расстояниях она оказывает гораздо меньшее действие. Источником электромагнитной силы служат положительные и отрицательные заряды, а во Вселенной, судя по всему, они содержатся в равных количествах. Поскольку силы, созданные зарядами с противоположными знаками, действуют в противоположных направлениях, на больших расстояниях, где содержится много зарядов, электромагнитная сила самоуничтожается. На малых расстояниях, в частности в атомах, электромагнитная сила играет важную роль. Именно она, в конечном итоге, отвечает за строение атомов и молекул, а следовательно, является движущей силой в химических реакциях. На фундаментальном уровне жизнью правят химия и электромагнитная сила.

Электромагнитная сила в целых 10⁴⁰ раз сильнее гравитационной. Чтобы постичь эту невероятную слабость гравитации, можно, например, вообразить альтернативную вселенную, в которой нет зарядов, а следовательно, и электромагнитных сил. В такой вселенной совершенно обычные атомы обладали бы экстраординарными свойствами. Если бы электрон и протон связывала одна только гравитация, то атом водорода был бы больше, чем вся видимая часть нашей Вселенной.

Сильное ядерное взаимодействие, наша третья фундаментальная сила природы, отвечает за целостность ядер атомов. Эта сила удерживает протоны и нейтроны в ядре. В. отсутствие сильного взаимодействия ядра атомов взорвались бы в ответ на силы отталкивания, действующие между положительно заряженными протонами. Несмотря на то, что это взаимодействие сильнейшее из четырех, оно действует на чрезвычайно малых расстояниях. Не случайно диапазон действия сильного ядерного взаимодействия приблизительно равен размеру большого атомного ядра: примерно в десять тысяч раз меньше размера атома (порядка десяти ферми или 10^-12 см). Сильное взаимодействие управляет процессом ядерного синтеза, благодаря которому образуется большая часть энергии в звездах, а значит, и во Вселенной в текущую эпоху. Именно из-за большой, по сравнению с электромагнитной силой, величины сильного взаимодействия ядерные реакции гораздо сильнее химических, а именно: в миллион раз в перерасчете на пару частиц.

Четвертая сила, слабое ядерное взаимодействие, вероятно, наиболее удалена от общественного сознания. Это довольно таинственное слабое взаимодействие принимает участие в распаде нейтронов на протоны и электроны, а также играет свою роль в процессе ядерного синтеза, фигурирует в явлении радиоактивности и образовании химических элементов в звездах. Слабое взаимодействие имеет еще более короткий диапазон действия, чем сильное. Однако, несмотря на свою слабость и маленький диапазон действия, слабое взаимодействие играет удивительно важную роль в астрофизике. Существенная доля общей массы Вселенной, скорее всего, состоит из слабо взаимодействующих частиц, другими словами, частиц, которые взаимодействуют друг с другом только посредством слабого взаимодействия и гравитации. В силу того что такие частицы имеют тенденцию взаимодействовать очень продолжительное время, важность их роли постепенно возрастает по мере медленного движения Вселенной в будущее.

Четыре фундаментальные силы природы

Четыре фундаментальные силы природы лежат в основе любого взаимодействия во Вселенной, включая туманность Угольный Мешок, Колдуэлл 99. (Изображение предоставлено НАСА, ЕКА и Р. Сахаи)

Четыре фундаментальные силы действуют на нас каждый день, осознаем мы это или нет. От игры в баскетбол до запуска ракеты в космос и прикрепления магнита к холодильнику — все силы, с которыми мы все сталкиваемся каждый день, можно свести к критической четверке: гравитация, слабое взаимодействие, электромагнетизм и сильное взаимодействие. . Эти силы управляют всем, что происходит во Вселенной.

Гравитация

Гравитация — это притяжение между двумя объектами, обладающими массой или энергией, будь то падение камня с моста, планета, вращающаяся вокруг звезды, или луна, вызывающая океанские приливы. Гравитация, вероятно, является наиболее интуитивно понятной и знакомой из фундаментальных сил, но также и одной из самых сложных для объяснения.

Исаак Ньютон был первым, кто предложил идею гравитации, предположительно вдохновленную падением яблока с дерева. Он описал гравитацию как буквальное притяжение между двумя объектами. Столетия спустя Альберт Эйнштейн в своих общей теории относительности , что гравитация не является ни притяжением, ни силой. Наоборот, это следствие того, что объекты искривляют пространство-время. Большой объект воздействует на пространство-время примерно так же, как большой мяч, помещенный в середину листа, воздействует на этот материал, деформируя его и заставляя другие, более мелкие объекты на листе падать к середине.

Хотя гравитация удерживает вместе планеты, звезды, солнечные системы и даже галактик , она оказывается самой слабой из фундаментальных сил, особенно на молекулярном и атомном уровнях. Подумайте об этом так: насколько сложно поднять мяч над землей? Или поднять ногу? Или прыгать? Все эти действия противодействуют гравитации всей Земли. А на молекулярном и атомном уровнях гравитация почти не влияет на другие фундаментальные силы.

Родственный: В каждом атоме во вселенной скрыта гигантская тайна

Слабое взаимодействие

Слабое взаимодействие, также называемое слабым ядерным взаимодействием, отвечает за распад частиц. Это буквальное превращение одного типа субатомных частиц в другой. Так, например, n эвтрино (открывается в новой вкладке), которое приближается к нейтрону, может превратить нейтрон в протон, а нейтрино — в электрон. 9-18 метров, или 0,1% диаметра протона, друг от друга, они могут обмениваться этими бозонами. В результате субатомные частицы распадаются на новые частицы, согласно веб-сайту HyperPhysics Университета штата Джорджия (открывается в новой вкладке).

Слабое взаимодействие имеет решающее значение для реакций ядерного синтеза, которые питают солнце и производят энергию, необходимую для большинства форм жизни на Земле. Именно поэтому археологи могут использовать углерод-14 для датирования древних костей, дерева и других ранее живших артефактов. У углерода-14 шесть протонов и восемь нейтронов; один из этих нейтронов распадается на протон, образуя азот-14, который имеет семь протонов и семь нейтронов. Этот распад происходит с предсказуемой скоростью, что позволяет ученым определить, сколько лет таким артефактам.

Слабое взаимодействие имеет решающее значение для реакций ядерного синтеза, которые питают солнце и производят энергию, необходимую для большинства форм жизни на Земле. Пик этой значительной солнечной вспышки пришелся на 10:29 утра по восточному поясному времени 3 июля 2021 года (Изображение предоставлено НАСА). . Разноименные заряды притягиваются друг к другу, а разноименные отталкиваются. Чем больше заряд, тем больше сила. И так же, как и гравитация, эту силу можно ощущать на бесконечном расстоянии (хотя на таком расстоянии сила будет очень и очень малой).

Как следует из названия, электромагнитная сила состоит из двух частей: электрической силы и магнитной силы (откроется в новой вкладке). Сначала физики описывали эти силы как отдельные друг от друга, но позже исследователи поняли, что они являются составляющими одной и той же силы.

Электрическая составляющая действует между заряженными частицами независимо от того, движутся они или неподвижны, создавая поле, посредством которого заряды могут влиять друг на друга. Но однажды приведенные в движение, эти заряженные частицы начинают проявлять вторую составляющую — магнитную силу. Частицы создают магнитное поле вокруг себя, когда они движутся. Поэтому, когда электроны проносятся по проводу, чтобы зарядить ваш компьютер или телефон, или, например, включить телевизор, провод становится магнитным.

Связанный: Наше Солнце уходит в спячку?

Электромагнитные силы передаются между заряженными частицами посредством обмена безмассовыми, переносящими силу бозонами, называемыми фотонами, которые также являются частицами света. Однако переносящие силу фотоны, которые переключаются между заряженными частицами, представляют собой другое проявление фотонов. Они виртуальны и не поддаются обнаружению, хотя технически являются теми же частицами, что и реальная и поддающаяся обнаружению версия.0007 Университет Теннесси, Ноксвилл (открывается в новой вкладке).

Электромагнитная сила отвечает за некоторые из наиболее часто встречающихся явлений: трение, упругость, нормальную силу и силу, удерживающую твердые тела вместе в заданной форме. Он даже отвечает за сопротивление, которое испытывают птицы, самолеты и даже Супермен во время полета. Эти действия могут происходить из-за взаимодействия заряженных (или нейтрализованных) частиц друг с другом. Нормальная сила, которая удерживает книгу на столе (вместо гравитации, притягивающей книгу к земле), например, является следствием того, что электроны в атомах стола отталкивают электроны в атомах книги.

Сила, удерживающая книгу на столе (вместо гравитации, притягивающей книгу к земле), является следствием электромагнитной силы: электроны в атомах стола отталкивают электроны в атомах книги. (Изображение предоставлено NASA/Shutterstock)

Сильное ядерное взаимодействие

Сильное ядерное взаимодействие, также называемое сильным ядерным взаимодействием, является сильнейшим из четырех фундаментальных сил природы. Это 6 тысяч триллионов триллионов триллионов (это 39нули через 6!) раз сильнее силы тяжести, согласно веб-сайту HyperPhysics . И это потому, что он связывает фундаментальные частицы материи вместе, чтобы сформировать более крупные частицы. -15 метров друг от друга, или примерно в диаметре протона.

Сильное взаимодействие странное, потому что, в отличие от любого другого фундаментального взаимодействия, оно становится слабее по мере того, как субатомные частицы сближаются. На самом деле он достигает максимальной силы, когда частицы максимально удалены друг от друга, согласно Fermilab . Оказавшись в пределах досягаемости, безмассовые заряженные бозоны, называемые глюонами, передают сильное взаимодействие между кварками и удерживают их «склеенными» вместе. Крошечная часть сильного взаимодействия, называемого остаточным сильным взаимодействием, действует между протонами и нейтронами. Протоны в ядре отталкиваются друг от друга из-за одинакового заряда, но остаточное сильное взаимодействие может преодолеть это отталкивание, так что частицы остаются связанными в ядро ​​атома (откроется в новой вкладке).

Связанный: НАСА, Министерство энергетики финансируют три концепции ядерных тепловых космических двигателей

Объединяющая природа

Нерешенный вопрос о четырех фундаментальных силах заключается в том, являются ли они на самом деле проявлениями одной великой силы вселенной. Если это так, то каждый из них должен иметь возможность сливаться с другими, и уже есть доказательства того, что они могут.

Физики Шелдон Глэшоу и Стивен Вайнберг из Гарвардского университета вместе с Абдусом Саламом из Имперского колледжа Лондона выиграли 9-й0007 Нобелевская премия по физике в 1979 году за объединение электромагнитного взаимодействия со слабым взаимодействием для формирования концепции электрослабого взаимодействия . Физики, работающие над созданием так называемой теории великого объединения, стремятся объединить электрослабое взаимодействие с сильным взаимодействием, чтобы определить электронно-ядерное взаимодействие, которое предсказали модели, но исследователи еще не наблюдали. Последняя часть головоломки потребует объединения гравитации с электронно-ядерным взаимодействием для развития так называемого теория всего , теоретическая основа, которая может объяснить всю вселенную.

Физики, однако, столкнулись с трудностями при объединении микроскопического мира с макроскопическим. В больших и особенно в астрономических масштабах доминирует гравитация, которая лучше всего описывается общей теорией относительности Эйнштейна. Но на молекулярном, атомном или субатомном уровне квантовая механика лучше всего описывает мир природы. И до сих пор никто не придумал хорошего способа объединить эти два мира.

Многие физики стремятся объединить фундаментальные взаимодействия в рамках единой теории — теоретической основы, которая могла бы объяснить всю вселенную. (Изображение предоставлено Shutterstock)

Физики, изучающие квантовую гравитацию, стремятся описать силу в терминах квантового мира, что может помочь в слиянии. Фундаментальным для этого подхода было бы открытие гравитонов, теоретически переносящего бозон гравитационного взаимодействия. Гравитация — единственная фундаментальная сила, которую физики в настоящее время могут описать без использования переносящих силу частиц. Но поскольку для описания всех других фундаментальных взаимодействий требуются частицы, переносящие взаимодействие, ученые ожидают, что гравитоны должны существовать на субатомном уровне — исследователи просто еще не нашли эти частицы.

Еще больше усложняет историю невидимое царство темной материи и темной энергии , которые составляют примерно 95% Вселенной. Неясно, состоят ли темная материя и энергия из одной частицы или из целого набора частиц, обладающих собственными силами и бозонами-посланниками.

Основная частица-посланник, представляющая интерес в настоящее время, — теоретический темный фотон, который должен обеспечивать взаимодействие между видимой и невидимой вселенной. Если темные фотоны существуют, они станут ключом к обнаружению невидимого мира темной материи и могут привести к открытию пятая фундаментальная сила (откроется в новой вкладке). Однако до сих пор нет доказательств того, что темных фотонов существуют, и некоторые исследования предложили убедительные доказательства того, что эти частицы не существуют .

Дополнительные ресурсы:

• Посмотрите видео о фундаментальных силах природы (открывается в новой вкладке) от Академии Хана.
• Подробнее о , объединяющем фундаментальные силы (откроется в новой вкладке), из CERN.
• Узнайте больше о том, как работают фундаментальные силы, в Стандартной модели (открывается в новой вкладке) от CERN.

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].

Джереми Рем — биолог, который променял микроскопы и трупы на ручку и бумагу в качестве научного журналиста. Он имеет ученые степени Университета Брауна и Калифорнийского университета в Санта-Круз, а также писал статьи для журналов Nature, Scientific American, Knowable Magazine и National Geographic. Подпишитесь на него в Твиттере @jrehm_sci

Пятая сила природы

Возможно, на этой неделе вы видели заголовки новостей об открытии пятой фундаментальной силы природы. Может быть, вы даже немного читали об этом, но затем, вероятно, бросили читать, потому что. .. физика элементарных частиц, кванты, бозоны, переносчики силы…

Отойдите от статей: Мы здесь, чтобы помочь.

Если вы помните что-нибудь из курса физики, который вы изучали в школе, возможно, вы помните, что в природе существуют четыре фундаментальные силы.

В произвольном порядке гравитация, электромагнетизм, слабое ядерное взаимодействие и сильное ядерное взаимодействие.

Пятый? Я должен знать остальных четырех?

Гравитацию довольно легко понять: любые две вещи, имеющие массу (атомы, люди, планеты, звезды), притягиваются друг к другу. Чем больше масса, тем сильнее притяжение. Очень просто.

Электромагнетизм? Ну, это просто, это смесь электричества и магнетизма. Да, но это на самом деле не объясняет, как это работает. Электромагнитная сила объясняет, как электрически заряженные (положительно или отрицательно) вещи взаимодействуют друг с другом. Один из важных выводов: магнитный заряд может создавать электрический заряд и наоборот. Эти взаимодействия ответственны за выработку электроэнергии, что очень важно. Электромагнетизм и то, как он толкает и притягивает объекты, отвечает за энергию в таких вещах, как батареи и магниты, но он также включает свет, который представляет собой просто волны электромагнитного излучения.

Два других — это слабое и сильное ядерные взаимодействия, и хотя они оба сильнее гравитации, они действуют только в крошечных пространствах между атомами и еще меньших пространствах, где квантовая физика начинает делать все действительно странным.

Сильное ядерное взаимодействие на самом деле является самым сильным из четырех известных взаимодействий и, по сути, клеем, который связывает все вместе. Он отвечает за поддержание стабильности протонов и нейтронов (которые вместе с электронами составляют атомы), а затем позволяет им связываться с атомными ядрами. Слабое взаимодействие, с другой стороны, ответственно за радиоактивный распад, противоположное сильному взаимодействию, оно контролирует то, как разваливаются вещи на ядерном уровне. О, и, кстати, он отвечает за термоядерный синтез и сохраняет наше солнце ярким и теплым.

Вот что такое четыре силы, если не вдаваться в подробности того, как они работают.

А как насчет пятой силы?

Но нам нужно немного углубиться в сорняки, потому что нам нужно знать, что заставляет гравитацию или любую другую силу на самом деле делать свое дело.

Одно тело с массой просто волшебным образом начинает двигаться к другому массивному предмету? Нет, это стало возможным благодаря вещам, называемым частицами-переносчиками силы. Переносчики силы — это частицы, которые переносят информацию между вещами и сообщают им, как себя вести. Думайте о носителях силы как о маленьких карманных конституциях для каждой из четырех фундаментальных сил. Они не только излагают все правила поведения, но и заставляют силы (ха) действовать по этим правилам.

Переносчиками силы для гравитации являются гипотетические вещи, называемые гравитонами, для электромагнетизма ими являются фотоны. Для слабого ядерного взаимодействия носители называются частицами W и Z, а для сильного ядерного взаимодействия — глюонами. Все эти носители силы классифицируются как примеры бозонов.

Но в прошлом году группа физиков из Венгерской академии наук увидела то, что физический факультет Калифорнийского университета в Ирвине (UCI) назвал «загадочными аномалиями в их экспериментальных данных». Венгры не были уверены, что это за аномалии, но указали на существование нового типа световых частиц. Это примерно то, что они получили. Они не смогли выяснить, имеет ли эта новая частица массу или это новый вид бозона без массы, такой как фотон.

К сожалению, перефразируя Авраама Линкольна, мир “мало заметил и долго помнил” работу венгерских ученых.

За исключением группы физиков во главе с Джонатаном Фенгом, профессором физики и астрономии UCI. Вместе со своей командой Фэн изучил работу венгров, собрал воедино множество других подобных экспериментов и решил, что венгры, возможно, на самом деле нашли новый вид бозона-переносчика силы.

«Иногда, — говорит Фэн, — мы также называем его просто X-бозоном, где X означает неизвестное». Если они правы, новая частица-носитель силы означает, что должна существовать новая сила, пятая фундаментальная сила.

Работа группы была опубликована в журнале Physical Review Letters . «Если это правда, это революционно», — сказал Фэн. «В течение десятилетий мы знали о четырех фундаментальных взаимодействиях… это открытие возможного пятого взаимодействия полностью изменило бы наше понимание Вселенной, что имело бы последствия для объединения сил и темной материи».

И нет, сейчас мы даже не собираемся углубляться в темную материю.

Так где же пряталась эта сила? Фэн говорит, что в прошлом на это просто не обращали внимания. «Его взаимодействие очень слабое», — говорит Фэн.

Но он добавляет: «Существует множество экспериментальных групп, работающих в небольших лабораториях по всему миру, которые могут проверить первоначальные заявления, теперь, когда они знают, где искать».