От ходенето по улицата, до изстрелването на ракета в космоса, до залепването на магнит върху вашия хладилник, физическите сили действат навсякъде около нас. Но всички сили, които изпитваме всеки ден (и много, които не осъзнаваме, че изпитваме всеки ден), могат да бъдат намалени до само четири основни сили:
- Земно притегляне.
- Слабата сила.
- Електромагнетизъм.
- Силната сила.
Те се наричат четирите основни сили на природата и те управляват всичко, което се случва във Вселената.
Земно притегляне
Гравитацията е привличането между два обекта, които имат маса или енергия, независимо дали това се наблюдава при спускане на скала от мост, планета в орбита на звезда или на луната, предизвикваща океански приливи и отливи. Гравитацията е може би най-интуитивната и позната на основните сили, но е и една от най-предизвикателните за обяснение.
Исак Нютон беше първият, който предложи идеята за гравитацията, уж вдъхновена от ябълка, падаща от дърво. Той описа гравитацията като буквално привличане между два обекта. Векове по-късно Алберт Айнщайн предполага чрез своята теория за общата относителност гравитацията да не е привличане или сила. Вместо това, това е следствие от огъване на пространството и времето на обекти. Голям обект работи в пространствено-време малко като това, как голяма топка, поставена в средата на листа, влияе върху този материал, като го деформира и причинява падането на други, по-малки предмети на листа към средата.
Въпреки че гравитацията държи планети, звезди, слънчева система и дори галактики заедно, тя се оказва най-слабата от основните сили, особено в молекулярния и атомния мащаб. Мислете за това така: Колко е трудно да вдигнете топка от земята? Или да вдигнете крака си? Или да скоча? Всички тези действия противодействат на тежестта на цялата Земя. А на молекулно и атомно ниво гравитацията няма почти никакъв ефект спрямо другите основни сили.
Слабата сила
Слабата сила, наричана още слабото ядрено взаимодействие, е отговорна за разпадането на частиците. Това е буквалната промяна на един тип субатомна частица в друга. Така например, неутрино, което се отклонява близо до неутрон, може да превърне неутрона в протон, докато неутрино се превърне в електрон.
Физиците описват това взаимодействие чрез обмен на частици, носещи сила, наречени бозони. Специфичните видове бозони са отговорни за слабата сила, електромагнитната сила и силната сила. При слаба сила бозоните са заредени частици, наречени W и Z бозони. Когато субатомните частици като протони, неутрони и електрони идват в рамките на 10 ^ -18 метра, или 0.1% от диаметъра на протона, един от друг, те могат да обменят тези бозони. В резултат на това субатомните частици се разпадат в нови частици, според уебсайта на HyperPhysics на държавния университет в Джорджия.
Слабата сила е критична за реакциите на ядрения синтез, които захранват слънцето и произвеждат енергията, необходима за повечето форми на живот тук на Земята. Ето защо археолозите могат да използват въглерод-14 досега древна кост, дърво и други предишно живи артефакти. Въглерод-14 има шест протона и осем неутрона; един от тези неутрони се разпада в протона, за да се получи азот-14, който има седем протона и седем неутрона. Този разпад се случва с предвидима скорост, което позволява на учените да определят колко са стари такива артефакти.
Електромагнитна сила
Електромагнитната сила, наричана още сила на Лоренц, действа между заредени частици, като отрицателно заредени електрони и положително заредени протони. Противоположните такси се привличат една друга, докато подобно обвинения отблъскват. Колкото по-голям е зарядът, толкова по-голяма е силата. И подобно на гравитацията, тази сила може да се усети от безкрайно разстояние (макар че силата ще бъде много, много малка на това разстояние).
Както показва името му, електромагнитната сила се състои от две части: електрическата сила и магнитната сила. Отначало физиците описвали тези сили като отделни една от друга, но по-късно изследователите разбрали, че двете са компоненти на една и съща сила.
Електрическият компонент действа между заредените частици, независимо дали се движат или неподвижно, създавайки поле, чрез което зарядите могат да влияят един върху друг. Но веднъж пуснати в движение, тези заредени частици започват да показват втория компонент, магнитната сила. Частиците създават магнитно поле около тях, докато се движат. Така например, когато електроните приближават мащаба през проводник, за да заредят компютъра или телефона си или да включат телевизора, например, телта става магнитна.
Електромагнитните сили се прехвърлят между заредените частици чрез обмен на безмасови, носещи сила бозони, наречени фотони, които са също частиците на светлината. Носещите сила фотони, които се разменят между заредени частици, обаче са различно проявление на фотоните. Те са виртуални и неоткриваеми, въпреки че технически са същите частици като истинската и откриваема версия, според Университета на Тенеси, Ноксвил.
Електромагнитната сила е отговорна за някои от най-често срещаните явления: триенето, еластичността, нормалната сила и силата, която държи твърдите вещества в дадена форма. Дори е отговорен за влаченето, което птиците, самолетите и дори Супермен изпитват, докато летят. Тези действия могат да възникнат поради заредени (или неутрализирани) частици, взаимодействащи помежду си. Нормалната сила, която държи книга върху масата (вместо гравитацията да дърпа книгата към земята), например, е следствие от това, че електроните в атомите на таблицата отблъскват електрони в атомите на книгата.
Силната ядрена сила
Силната ядрена сила, наричана още силното ядрено взаимодействие, е най-силната от четирите основни сили на природата. Това е 6 хиляди трилиона трилиона (това е 39 нули след 6!) Пъти по-силно от силата на гравитацията, според уебсайта на HyperPhysics. И това е така, защото свързва основните частици на материята заедно, за да образува по-големи частици. Той държи заедно кварките, които съставят протони и неутрони, а част от силната сила също държи протоните и неутроните на ядрото на атома заедно.
Подобно на слабата сила, силната сила действа само когато субатомните частици са изключително близо една до друга. Те трябва да са някъде на разстояние 10 ^ -15 метра един от друг или приблизително в рамките на диаметъра на протона, според уебсайта на HyperPhysics.
Силната сила обаче е странна, тъй като за разлика от която и да е от другите основни сили, тя отслабва, когато субатомните частици се приближават по-близо. Всъщност той достига максимална сила, когато частиците са най-отдалечени една от друга, според Фермилаб. Веднъж в обхват, безмасово заредени бозони, наречени глуони, предават силната сила между кварките и ги държат „залепени“ заедно. Малка фракция от силната сила, наречена остатъчна силна сила, действа между протони и неутрони. Протоните в ядрото се отблъскват един друг поради сходния си заряд, но остатъчната силна сила може да преодолее това отблъскване, така че частиците остават свързани в ядрото на атома.
Обединяваща природа
Нерешеният въпрос за четирите основни сили е дали те всъщност са прояви само на една голяма сила на Вселената. Ако е така, всеки от тях трябва да може да се слее с останалите и вече има доказателства, че могат.
Физиците Шелдън Глашоу и Стивън Уайнбърг от Харвардския университет с Абдус Салам от Империал Колидж Лондон печелят Нобеловата награда по физика през 1979 г. за обединяване на електромагнитната сила със слабата сила, за да формират концепцията за електромобилната сила. Физиците, работещи за намирането на т. Нар. Велика унифицирана теория, целят да обединят силата на електроотслабване със силната сила за дефиниране на електроядрена сила, която моделите са предвидили, но изследователите все още не са спазили. Последната част от пъзела ще изисква обединяване на гравитацията с електроядрената сила, за да се развие така наречената теория на всичко, теоретична рамка, която да обясни цялата вселена.
Физиците обаче намериха доста трудно да обединят микроскопичния свят с макроскопичния. В големи и особено астрономически мащаби гравитацията доминира и е най-добре описана от теорията на Айнщайн за обща относителност. Но в молекулярни, атомни или субатомни мащаби квантовата механика най-добре описва природния свят. И досега никой не измисли добър начин за сливане на тези два свята.
Физиците, изучаващи квантовата гравитация, имат за цел да опишат силата по отношение на квантовия свят, което би могло да помогне за сливането. Фундаментален за този подход би било откриването на гравитони, теоретичен бозон, носител на силата на гравитацията. Гравитацията е единствената основна сила, която физиците в момента могат да опишат, без да използват частици, носещи сила. Но тъй като описанията на всички останали основни сили изискват частици, носещи сила, учените очакват гравитоните да съществуват на субатомно ниво - изследователите все още не са открили тези частици.
Допълнително усложнява историята е невидимата сфера на тъмната материя и тъмната енергия, които съставляват около 95% от Вселената. Не е ясно дали тъмната материя и енергия се състоят от една-единствена частица или от цял набор от частици, които имат свои собствени сили и бозони.
Основната пратеница на текущия интерес е теоретичният тъмен фотон, който би опосредствал взаимодействията между видимата и невидимата вселена. Ако съществуват тъмни фотони, те биха били ключът за откриване на невидимия свят на тъмната материя и биха могли да доведат до откриването на пета фундаментална сила. Засега обаче няма доказателства, че съществуват тъмни фотони, а някои изследвания предлагат сериозни доказателства, че тези частици не съществуват.
