Interaksi adalah penyebab utama pergerakan materi, oleh karena itu interaksi melekat pada semua objek material, terlepas dari asal usul alami dan organisasi sistemiknya. Ciri-ciri berbagai interaksi menentukan kondisi keberadaan dan sifat-sifat spesifik benda-benda material. Secara total, ada empat jenis interaksi yang diketahui: gravitasi, elektromagnetik, kuat dan lemah.

Gravitasi interaksi adalah interaksi mendasar pertama yang diketahui yang menjadi subjek penelitian para ilmuwan. Ini memanifestasikan dirinya dalam gaya tarik-menarik timbal balik dari setiap benda material yang bermassa, ditransmisikan melalui medan gravitasi dan ditentukan oleh hukum gravitasi universal, yang dirumuskan oleh I. Newton

Hukum gravitasi universal menggambarkan jatuhnya benda-benda material di medan bumi, pergerakan planet-planet di tata surya, bintang-bintang, dll. Ketika massa materi meningkat, interaksi gravitasi meningkat. Interaksi gravitasi adalah interaksi terlemah yang diketahui ilmu pengetahuan modern. Namun demikian, interaksi gravitasi menentukan struktur seluruh Alam Semesta: pembentukan semua sistem kosmik; keberadaan planet, bintang, dan galaksi. Peran penting interaksi gravitasi ditentukan oleh universalitasnya: semua benda, partikel, dan medan berpartisipasi di dalamnya.

Pembawa interaksi gravitasi adalah graviton - kuanta medan gravitasi.

Elektromagnetik interaksi juga bersifat universal dan terjadi antara badan mana pun di dunia mikro, makro, dan mega. Interaksi elektromagnetik disebabkan oleh muatan listrik dan ditransmisikan menggunakan medan listrik dan magnet. Medan listrik muncul ketika ada muatan listrik, dan medan magnet muncul ketika muatan listrik bergerak. Interaksi elektromagnetik dijelaskan oleh: hukum Coulomb, hukum Ampere, dll., dan dalam bentuk umum - oleh teori elektromagnetik Maxwell, yang menghubungkan medan listrik dan magnet. Berkat interaksi elektromagnetik, atom, molekul muncul dan reaksi kimia terjadi. Reaksi kimia merupakan manifestasi interaksi elektromagnetik dan merupakan hasil redistribusi ikatan antar atom dalam molekul, serta jumlah dan komposisi atom dalam molekul zat yang berbeda. Berbagai keadaan materi, gaya elastis, gesekan, dll. ditentukan oleh interaksi elektromagnetik. Pembawa interaksi elektromagnetik adalah foton - kuanta medan elektromagnetik dengan massa diam nol.

Di dalam inti atom terdapat interaksi kuat dan lemah. Kuat interaksi memastikan koneksi nukleon dalam nukleus. Interaksi ini ditentukan oleh gaya nuklir yang memiliki independensi muatan, aksi jarak pendek, saturasi, dan sifat lainnya. Interaksi kuat menahan nukleon (proton dan neutron) di dalam inti dan kuark di dalam nukleon dan bertanggung jawab atas kestabilan inti atom. Dengan menggunakan interaksi kuat, para ilmuwan menjelaskan mengapa proton inti atom tidak terbang terpisah di bawah pengaruh gaya tolak elektromagnetik. Interaksi kuat ditransmisikan oleh gluon - partikel yang “merekatkan” quark, yang merupakan bagian dari proton, neutron, dan partikel lainnya.

Lemah interaksi juga hanya beroperasi di mikrokosmos. Semua partikel elementer kecuali foton berpartisipasi dalam interaksi ini. Hal ini menyebabkan sebagian besar peluruhan partikel elementer, sehingga penemuannya terjadi setelah penemuan radioaktivitas. Teori interaksi lemah pertama diciptakan pada tahun 1934 oleh E. Fermi dan dikembangkan pada tahun 1950-an. M. Gell-Man, R. Feynman dan ilmuwan lainnya. Pembawa interaksi lemah dianggap partikel dengan massa 100 kali lebih besar dari massa proton - boson vektor perantara.

Ciri-ciri interaksi fundamental disajikan pada Tabel. 2.1.

Tabel 2.1

Ciri-ciri interaksi fundamental

Tabel tersebut menunjukkan bahwa interaksi gravitasi jauh lebih lemah dibandingkan interaksi lainnya. Jangkauan tindakannya tidak terbatas. Ini tidak memainkan peran penting dalam mikroproses dan pada saat yang sama sangat penting untuk objek dengan massa besar. Interaksi elektromagnetik lebih kuat daripada interaksi gravitasi, meskipun jangkauan aksinya juga tidak terbatas. Interaksi kuat dan lemah mempunyai jangkauan tindakan yang sangat terbatas.

Salah satu tugas terpenting ilmu pengetahuan alam modern adalah penciptaan teori interaksi fundamental terpadu yang menyatukan berbagai jenis interaksi. Penciptaan teori semacam itu juga berarti pembangunan teori terpadu tentang partikel elementer.

Pembentukan awan protogalaksi kurang dari 1 miliar tahun setelah Big Bang

Kita sangat menyadari gaya gravitasi yang membuat kita tetap berada di bumi dan menyulitkan kita untuk terbang ke Bulan. Dan elektromagnetisme, berkat itu kita tidak terpecah menjadi atom-atom individual dan dapat dihubungkan ke laptop. Fisikawan tersebut berbicara tentang dua kekuatan lagi yang membuat Alam Semesta seperti apa adanya.

Sejak sekolah, kita semua mengetahui dengan baik hukum gravitasi universal dan hukum Coulomb. Yang pertama menjelaskan kepada kita bagaimana benda-benda besar seperti bintang dan planet berinteraksi (menarik) satu sama lain. Yang lain menunjukkan (ingat percobaan dengan tongkat ebonit) gaya tarik-menarik dan tolak-menolak yang timbul antara benda-benda bermuatan listrik.

Namun apakah ini keseluruhan rangkaian kekuatan dan interaksi yang menentukan penampakan Alam Semesta yang kita amati?

Fisika modern menyebutkan bahwa ada empat jenis interaksi utama (mendasar) antar partikel di Alam Semesta. Saya telah membicarakan dua di antaranya di atas dan dengan mereka, tampaknya, semuanya sederhana, karena manifestasinya terus-menerus mengelilingi kita dalam kehidupan sehari-hari: ini adalah interaksi gravitasi dan elektromagnetik.

Jadi karena aksi yang pertama, kita berdiri kokoh di tanah dan tidak terbang ke luar angkasa. Yang kedua, misalnya, memastikan daya tarik elektron ke proton dalam atom-atom yang membentuk kita semua dan, pada akhirnya, daya tarik atom satu sama lain (yaitu, ia bertanggung jawab atas pembentukan molekul, jaringan biologis, dll. .). Jadi justru karena kekuatan interaksi elektromagnetik, misalnya, ternyata tidak mudah untuk meledakkan kepala tetangga yang mengganggu, dan untuk tujuan ini kita harus menggunakan bantuan kapak. berbagai cara improvisasi.

Namun ada juga yang disebut interaksi kuat. Apa tanggung jawabnya? Tidakkah Anda terkejut di sekolah dengan fakta bahwa, meskipun ada pernyataan hukum Coulomb bahwa dua muatan positif harus saling tolak menolak (hanya muatan berlawanan yang tarik menarik), inti dari banyak atom diam-diam ada dengan sendirinya. Tapi seperti yang Anda ingat, mereka terdiri dari proton dan neutron. Neutron termasuk neutron karena bersifat netral dan tidak bermuatan listrik, namun proton bermuatan positif. Dan apa, orang bertanya-tanya, gaya apa yang dapat menyatukan (pada jarak sepertriliun mikron - yang seribu kali lebih kecil dari atom itu sendiri!) beberapa proton, yang menurut hukum Coulomb, seharusnya saling tolak menolak? dengan energi yang mengerikan?

Interaksi yang kuat - memberikan daya tarik antar partikel dalam inti; elektrostatik - tolakan

Tugas yang sangat besar untuk mengatasi gaya Coulomb ini dilakukan melalui interaksi yang kuat. Jadi, tidak kurang dan tidak kurang, karena itu, proton (dan juga neutron) di dalam inti tetap tertarik satu sama lain. Omong-omong, proton dan neutron sendiri juga terdiri dari lebih banyak partikel “dasar” - quark. Jadi quark juga berinteraksi dan menarik satu sama lain “dengan kuat”. Namun, untungnya, tidak seperti interaksi gravitasi yang sama, yang juga terjadi pada jarak kosmik miliaran kilometer, interaksi kuat ini, seperti yang mereka katakan, berumur pendek. Artinya, medan “tarikan kuat” yang mengelilingi satu proton hanya bekerja pada skala yang sangat kecil, bahkan sebanding dengan ukuran inti atom.

Oleh karena itu, misalnya, sebuah proton yang berada dalam inti salah satu atom, meskipun ada tolakan Coulomb, tidak dapat menerima dan “dengan kuat” menarik proton dari atom tetangganya. Jika tidak, semua materi proton dan neutron di alam semesta dapat “tertarik” ke pusat massa yang sama dan membentuk satu “supernukleus” yang sangat besar. Namun, hal serupa terjadi pada bintang-bintang neutron dengan ketebalan yang lebih besar, yang salah satunya, seperti yang diperkirakan, suatu hari nanti (sekitar lima miliar tahun dari sekarang) Matahari kita akan menyusut.

Jadi, interaksi mendasar yang keempat dan terakhir di alam disebut interaksi lemah. Bukan tanpa alasan disebut demikian: tidak hanya berfungsi bahkan pada jarak yang bahkan lebih pendek daripada interaksi kuat, tetapi juga memiliki daya yang sangat rendah. Jadi, tidak seperti “saudaranya” yang kuat, tolakan Coulomb tidak akan bisa diatasi.

Contoh mencolok yang menunjukkan kelemahan interaksi lemah adalah partikel yang disebut neutrino (dapat diterjemahkan sebagai “neutron kecil”, “neutron”). Partikel-partikel ini, berdasarkan sifatnya, tidak berpartisipasi dalam interaksi kuat, tidak memiliki muatan listrik (dan karenanya tidak rentan terhadap interaksi elektromagnetik), memiliki massa yang tidak signifikan bahkan menurut standar dunia mikro dan, oleh karena itu, praktis tidak sensitif terhadap gravitasi, pada kenyataannya, hanya mampu melakukan interaksi yang lemah.

Apa? Neutrino melewatiku?!

Pada saat yang sama, neutrino dihasilkan dalam jumlah yang sangat besar di Alam Semesta, dan aliran besar partikel-partikel ini terus-menerus menembus ketebalan Bumi. Misalnya, dalam volume kotak korek api, rata-rata terdapat sekitar 20 neutrino pada waktu tertentu. Jadi, Anda dapat membayangkan sebuah tong besar berisi detektor air, yang saya tulis di postingan terakhir saya, dan banyaknya neutrino yang terbang melaluinya pada saat tertentu. Jadi, para ilmuwan yang mengerjakan detektor ini biasanya harus menunggu berbulan-bulan untuk mendapatkan kesempatan beruntung sehingga setidaknya satu neutrino “merasakan” larasnya dan berinteraksi di dalamnya dengan gaya lemahnya.

Namun, meski memiliki kelemahan, interaksi ini memegang peranan yang sangat penting di Alam Semesta dan kehidupan manusia. Jadi, ternyata ia bertanggung jawab atas salah satu jenis radioaktivitas - yaitu peluruhan beta, yang merupakan yang kedua (setelah radioaktivitas gamma) dalam hal tingkat bahaya dampaknya terhadap organisme hidup. Dan, yang tidak kalah penting, tanpa interaksi yang lemah, reaksi termonuklir tidak mungkin terjadi di kedalaman banyak bintang dan bertanggung jawab atas pelepasan energi bintang.

Itulah empat penunggang kuda Kiamat interaksi fundamental yang mengatur pertunjukan di Alam Semesta: kuat, elektromagnetik, lemah, dan gravitasi.

» Apa interaksi mendasar?

Hari ini saya ingin bercerita tentang gaya atau interaksi fundamental. Anda akan mengetahui apa itu, berapa jumlahnya dan mengapa dibutuhkan.

Ini dia!

Apa yang dimaksud dengan kekuatan fundamental?

Ada banyak kekuatan fisik dan interaksi di Alam Semesta kita. Misalnya gaya gesekan, reaksi nuklir dan ikatan kimia. Namun semuanya bersifat sekunder, kecuali empat interaksi tertentu. Mereka disebut “mendasar”. Mereka adalah jenis interaksi partikel elementer dan menentukan semua gaya lain di alam.

Pada awal mula alam semesta, terdapat satu interaksi mendasar. Namun hal itu tidak berlangsung lama. Pada akhir detik pertama setelahnya, gaya fundamental tunggal terbagi menjadi empat interaksi terpisah: kuat, lemah, elektromagnetik, dan gravitasi. Mari kita lihat semuanya.

Interaksi yang kuat.

Pernahkah Anda bertanya-tanya mengapa atom dari sebagian besar unsur kimia stabil? Tampaknya tidak ada yang rumit di sini. Namun, pada usia 30-an abad terakhir, pencarian jawaban atas pertanyaan ini membuat para ilmuwan berkeringat.

Anda mungkin tahu dari pelajaran fisika dan kimia sekolah Anda bahwa atom terdiri dari dua bagian: inti dan elektron yang berputar mengelilinginya. Inti atom, pada gilirannya, terdiri dari "nukleon" - proton dan neutron.

Atom bersifat netral secara listrik. Namun di intinya hanya terdapat partikel bermuatan positif dan netral - proton dan neutron. Telah diketahui secara luas bahwa hanya benda-benda yang bermuatan berlawanan yang dapat saling tarik menarik - dengan kata lain, “plus” hingga “minus”. Oleh karena itu, proton dan neutron harus saling tolak menolak. Namun kenyataannya, atom-atom inti tetap ada dan tidak menjadi masalah. Apa alasannya?

“Mungkin ini semua tentang gravitasi?” - para fisikawan berpikir kemudian. Ternyata tidak. Interaksi gravitasi, karena merupakan interaksi yang paling lemah, tidak akan mampu menahan gaya elektromagnetik.

Artinya ada gaya yang cukup kuat yang mengikat nukleon menjadi atom stabil dalam inti. Ini disebut “interaksi kuat”. Belakangan ternyata ia juga mengikat quark (perwakilan dari salah satu kelompok partikel fundamental) menjadi partikel komposit yang disebut “hadron” - misalnya proton dan neutron yang sama.

Interaksi kuat melibatkan quark, hadron, dan gluon. Gluon tidak memiliki massa dan merupakan pembawa gaya kuat. Mereka dipertukarkan oleh quark dan dengan demikian mewujudkan kekuatan fundamental ini.

Kekuatan nuklir kuat adalah kekuatan yang paling kuat di alam. Ia seribu kali lebih kuat dari elektromagnetik dan 100.000 kali lebih kuat dari “nuklir lemah”, dan kekuatannya melebihi gravitasi sebanyak 10 39 (10 banding 39 pangkat) kali.

Interaksi kuat ini bersifat brutal - oleh karena itu, para ilmuwan tidak dapat mengamati quark dalam keadaan bebas. Partikel-partikel malang ini selamanya terperangkap di hadron. Ternyata semakin jauh jarak quark satu sama lain, semakin kuat daya tariknya. Oleh karena itu, partikel-partikel ini tidak pernah diamati berkeliaran sendirian di ruang angkasa dan hanya ada di hadron.

Elektromagnetisme.

Semua benda dan partikel yang bermuatan listrik berpartisipasi dalam interaksi elektromagnetik. Namun, ada pengecualian - partikel netral, tetapi terdiri dari partikel bermuatan, dapat berpartisipasi. Contoh yang mencolok adalah neutron. Ia memiliki muatan netral, tetapi terdiri dari quark bermuatan.

Interaksi elektromagnetik terjadi antara partikel bermuatan melalui medan elektromagnetik. Kuantumnya (partikel fundamental) adalah foton - juga troll seluruh alam semesta.

Elektromagnetisme terletak pada kenyataan bahwa partikel bermuatan berinteraksi satu sama lain, bertukar foton.

Gaya elektromagnetik muncul dalam bentuk gaya tarik-menarik (benda bermuatan positif tertarik ke benda bermuatan negatif) dan tolak-menolak.

Interaksi ini memegang peranan yang sangat penting di alam karena interaksinya. Ini menentukan struktur molekul (ikatan kimia) dan kulit elektron dalam atom. Oleh karena itu, banyak hal yang berhubungan dengan elektromagnetisme.

Sebagian besar gaya fisik yang biasa dipertimbangkan dalam “mekanika klasik” Newton adalah gaya gesekan, elastisitas, tegangan permukaan, dll. - memiliki sifat elektromagnetik.

Gaya elektromagnetik juga menentukan sebagian besar sifat fisik benda di makrokosmos, serta perubahannya selama transisi dari satu keadaan agregasi ke keadaan agregasi lainnya. Interaksi ini mendasari fenomena listrik, magnet, optik dan kimia.

Kekuatan nuklir yang lemah.

Interaksi lemah terjadi pada jarak yang jauh lebih kecil dari inti atom. Ini lebih lemah dari dua gaya fundamental yang dijelaskan di atas, namun lebih kuat dari gravitasi.

Gaya nuklir lemah melibatkan dua kelompok partikel fundamental (lepton dan quark) dan hadron. Dalam proses interaksi lemah, partikel bertukar “pembawa” - boson W dan Z, yang berukuran cukup masif, berbeda dengan gluon dan foton yang tidak bermassa.

Kekuatan nuklir yang lemah memainkan peran penting di alam. Terjadinya reaksi termonuklir pada bintang justru disebabkan oleh interaksi ini. Dengan kata lain, akibat gaya nuklir yang lemah, Matahari dan badan gas lainnya terbakar.

Tapi itu belum semuanya. Gaya lemah bertanggung jawab atas peluruhan beta inti atom. Proses ini adalah salah satu dari tiga jenis radioaktivitas. Ini terdiri dari emisi “partikel beta” oleh inti: elektron atau positron.

Karena interaksi yang lemah, yang disebut "pembusukan lemah". Ini adalah saat partikel masif terbagi menjadi partikel yang lebih ringan. Kasus khusus yang penting adalah peluruhan neutron - ia dapat berubah menjadi proton, elektron, dan antineutrino.

Gravitasi.

Interaksi fundamental universal. Semua benda material tunduk padanya - dari partikel elementer hingga galaksi besar. Kekuatan fundamental ini adalah yang terlemah dan diekspresikan oleh keinginan benda-benda material terhadap satu sama lain - ketertarikan.

Gravitasi adalah kekuatan jangka panjang dan mengendalikan sebagian besar proses global di Alam Semesta. Berkat itu, bintang-bintang dan gugusnya dikelompokkan menjadi galaksi. Berkat itu, bintang gas terbentuk di nebula, bongkahan batu dingin di luar angkasa dikelompokkan menjadi planet, dan bola yang Anda lempar pasti akan jatuh.

Gravitasi telah menipu fisikawan selama beberapa dekade. Ini adalah subjek konflik jangka panjang antara dua teori fisika utama: mekanika kuantum dan relativitas. Tapi kenapa?

Faktanya adalah teori relativitas umum dan fisika kuantum dibangun di atas prinsip yang berbeda dan menggambarkan gaya fundamental ini dengan cara yang berbeda.

Einstein menjelaskan gravitasi sebagai kelengkungan ruang-waktu itu sendiri akibat massa benda material. Dan fisika kuantum “mengkuantisasinya” - menggambarkannya sebagai interaksi yang memiliki partikel pembawanya sendiri. Mereka disebut "graviton".

Dalam mekanika kuantum, ruang-waktu tidak diwakili oleh “variabel dinamis”, yaitu tidak bergantung pada badan dan sistem yang berada di dalamnya. Dan ini bertentangan dengan teori relativitas.

Namun yang paling mengejutkan adalah meskipun terdapat perbedaan mendasar, kedua teori ini telah dibuktikan secara eksperimental. Mekanika kuantum dengan sempurna menggambarkan dunia mikro, dan teori relativitas menggambarkan Alam Semesta dalam skala makroskopis.

Upaya sekarang sedang dilakukan untuk menggabungkan fisika relativistik dan kuantum serta mendeskripsikan gravitasi dengan mulus. Kemudian sebuah “teori segalanya” akan dibangun, dan kandidat utama untuk judul ini adalah “teori string”, yang dipenuhi dengan 11 dimensinya.

Navigasi pos

Interaksi Mendasar

Di alam, terdapat berbagai macam sistem dan struktur alam, yang ciri-ciri dan perkembangannya dijelaskan oleh interaksi benda-benda material, yaitu tindakan timbal balik satu sama lain. Tepat interaksi adalah penyebab utama pergerakan materi dan merupakan karakteristik semua benda material, terlepas dari asal usulnya dan organisasi sistemiknya. Interaksi bersifat universal, begitu pula gerakan. Benda-benda yang berinteraksi bertukar energi dan momentum (ini adalah ciri-ciri utama pergerakannya). Dalam fisika klasik, interaksi ditentukan oleh gaya yang digunakan suatu benda material terhadap benda material lainnya. Sudah lama paradigmanya seperti itu konsep aksi jarak jauh - interaksi benda-benda material yang terletak pada jarak yang sangat jauh satu sama lain dan ditransmisikan melalui ruang kosong secara instan. Saat ini, hal lain telah dikonfirmasi secara eksperimental - konsep interaksi jarak pendek - interaksi ditransmisikan menggunakan medan fisik dengan kecepatan terbatas tidak melebihi kecepatan cahaya dalam ruang hampa. Medan fisik adalah jenis materi khusus yang menjamin interaksi benda material dan sistemnya (bidang berikut: elektromagnetik, gravitasi, medan gaya nuklir - lemah dan kuat). Sumber medan fisika adalah partikel elementer (partikel bermuatan elektromagnetik), dalam teori kuantum interaksinya disebabkan oleh pertukaran kuanta medan antar partikel.

Ada empat interaksi mendasar di alam: kuat, elektromagnetik, lemah, dan gravitasi, yang menentukan struktur dunia sekitarnya.

Interaksi yang kuat(interaksi nuklir) adalah gaya tarik-menarik antar bagian penyusun inti atom (proton dan neutron) dan bekerja pada jarak orde 10 -1 3 cm, yang ditransmisikan melalui gluon. Dari sudut pandang interaksi elektromagnetik, proton dan neutron adalah partikel yang berbeda, karena proton bermuatan listrik, sedangkan neutron tidak. Tetapi dari sudut pandang interaksi yang kuat, partikel-partikel ini tidak dapat dibedakan, karena dalam keadaan stabil neutron adalah partikel yang tidak stabil dan meluruh menjadi proton, elektron dan neutrino, tetapi di dalam inti sifat-sifatnya menjadi mirip dengan proton, itulah sebabnya istilah “nukleon ( dari lat. inti- inti)” dan proton dengan neutron mulai dianggap sebagai dua keadaan nukleon yang berbeda. Semakin kuat interaksi nukleon dalam inti, semakin stabil inti, semakin besar energi ikat spesifiknya.

Dalam zat yang stabil, interaksi antara proton dan neutron pada suhu yang tidak terlalu tinggi meningkat, tetapi jika terjadi tumbukan inti atau bagian-bagiannya (nukleon berenergi tinggi), maka terjadilah reaksi nuklir yang disertai dengan pelepasan energi yang sangat besar.

Dalam kondisi tertentu, interaksi kuat mengikat partikel dengan sangat kuat menjadi inti atom - sistem material dengan energi ikat tinggi. Karena alasan inilah inti atom sangat stabil dan sulit dihancurkan.

Tanpa interaksi yang kuat, inti atom tidak akan ada, dan bintang serta Matahari tidak akan mampu menghasilkan panas dan cahaya menggunakan energi nuklir.

Interaksi elektromagnetik ditransmisikan menggunakan medan listrik dan magnet. Medan listrik muncul dengan adanya muatan listrik, dan medan magnet muncul ketika muatan listrik bergerak. Medan listrik yang berubah menghasilkan medan magnet bolak-balik - ini adalah sumber medan magnet bolak-balik. Jenis interaksi ini merupakan karakteristik partikel bermuatan listrik. Pembawa interaksi elektromagnetik adalah foton yang tidak bermuatan - kuantum medan elektromagnetik. Dalam proses interaksi elektromagnetik, elektron dan inti atom bergabung menjadi atom, dan atom menjadi molekul. Dalam arti tertentu, interaksi ini merupakan hal mendasar dalam kimia dan biologi.

Kita menerima sekitar 90% informasi tentang dunia di sekitar kita melalui gelombang elektromagnetik, karena berbagai wujud materi, gesekan, elastisitas, dll. ditentukan oleh kekuatan interaksi antarmolekul, yang bersifat elektromagnetik. Interaksi elektromagnetik dijelaskan oleh hukum Coulomb, Ampere dan teori elektromagnetik Maxwell.

Interaksi elektromagnetik menjadi dasar terciptanya berbagai peralatan listrik, radio, televisi, komputer, dll. Senjata ini seribu kali lebih lemah dibandingkan senjata kuat, namun jangkauannya jauh lebih jauh.

Tanpa interaksi elektromagnetik tidak akan ada atom, molekul, benda makro, panas dan cahaya.

3. Interaksi yang lemah mungkin antara berbagai partikel, kecuali foton, jaraknya pendek dan memanifestasikan dirinya pada jarak lebih kecil dari ukuran inti atom 10 -15 - 10 -22 cm Interaksi lemah lebih lemah daripada interaksi kuat dan proses dengan interaksi lemah berlangsung lebih lambat dibandingkan dengan interaksi yang kuat. Bertanggung jawab atas peluruhan partikel tidak stabil (misalnya, transformasi neutron menjadi proton, elektron, antineutrino). Karena interaksi inilah sebagian besar partikel menjadi tidak stabil. Pembawa interaksi lemah adalah ion, partikel dengan massa 100 kali massa proton dan neutron. Karena interaksi ini, Matahari bersinar (proton berubah menjadi neutron, positron, neutrino, neutrino yang dipancarkan memiliki kemampuan penetrasi yang sangat besar).

Tanpa interaksi lemah, reaksi nuklir di kedalaman Matahari dan bintang-bintang tidak akan mungkin terjadi, dan bintang-bintang baru tidak akan muncul.

4. Interaksi gravitasi yang terlemah, tidak diperhitungkan dalam teori partikel elementer, karena pada jarak karakteristik (10 -13 cm) efeknya kecil, dan pada jarak sangat kecil (10 -33 cm) dan pada energi sangat tinggi, gravitasi menjadi penting dan sifat-sifat yang tidak biasa dari ruang hampa fisik mulai muncul.

Gravitasi (dari bahasa Latin gravitas - "gravitasi") - interaksi mendasar bersifat jangka panjang (ini berarti bahwa tidak peduli seberapa besar suatu benda bergerak, pada titik mana pun di ruang angkasa, potensi gravitasi hanya bergantung pada posisi benda pada titik tertentu. momen waktu) dan semua benda material tunduk padanya. Pada dasarnya, gravitasi memainkan peran yang menentukan dalam skala kosmik, Megaworld.

Dalam kerangka mekanika klasik, interaksi gravitasi dijelaskan hukum gravitasi universal Newton yang menyatakan bahwa gaya tarik menarik gravitasi antara dua titik material yang bermassa M 1 dan M 2 dipisahkan oleh jarak R, Ada

Di mana G- konstanta gravitasi.

Tanpa interaksi gravitasi tidak akan ada galaksi, bintang, planet, atau evolusi Alam Semesta.

Waktu terjadinya transformasi partikel elementer bergantung pada kekuatan interaksi (dengan interaksi kuat, reaksi nuklir terjadi dalam 10 -24 - 10 -23 detik, dengan interaksi elektromagnetik - perubahan terjadi dalam 10 -19 - 10 -21 detik. , dengan disintegrasi lemah dalam waktu 10 -10 detik).

Semua interaksi diperlukan dan cukup untuk membangun dunia material yang kompleks dan beragam, yang menurut para ilmuwan dapat diperoleh darinya adikuasa(pada suhu atau energi yang sangat tinggi, keempat gaya bergabung membentuk satu).

Kekuatan apa yang kamu ketahui? Gravitasi, ketegangan benang, kompresi pegas, tumbukan benda, gaya gesekan, ledakan, hambatan udara dan medium, tegangan permukaan zat cair, gaya van der Waals - dan daftarnya tidak berakhir di situ. Namun semua gaya ini merupakan turunan dari empat gaya fundamental! Kami akan membicarakannya.

Empat kekuatan

Dasar dari landasan hukum fisika adalah empat interaksi mendasar, yang bertanggung jawab atas semua proses di Alam Semesta. Jika partikel elementer dapat dibandingkan dengan bahan penyusun keberadaan, maka interaksinya adalah mortar semen. Kuat, elektromagnetik, lemah, dan gravitasi - dalam urutan inilah, dari kuat ke lemah, interaksi dipertimbangkan. Hal-hal tersebut tidak dapat direduksi menjadi hal-hal yang lebih sederhana - oleh karena itu disebut hal-hal mendasar.

Sebelum kita mulai menjelaskan gaya, perlu dijelaskan apa yang dimaksud dengan kata interaksi. Fisikawan menganggapnya sebagai hasil pertukaran perantara tertentu, yang biasa disebut pembawa interaksi.

Mari kita mulai dengan yang paling intens. Kuat interaksi tersebut ditemukan pada tahun 30-an abad terakhir selama periode penelitian aktif atom. Ternyata integritas dan stabilitas intinya justru terjamin melalui interaksi yang sangat kuat nukleon antara mereka sendiri.

Nukleon(dari bahasa Latin inti - inti) - nama umum untuk proton dan neutron, komponen utama inti atom. Dari sudut pandang interaksi yang kuat, partikel-partikel ini tidak dapat dibedakan. Neutron 0,13% lebih berat daripada proton - ini cukup untuk menjadi satu-satunya partikel elementer dengan massa diam yang interaksi gravitasinya diamati.

Isi inti tertarik satu sama lain karena kuanta khusus - π-meson, yang merupakan pembawa “resmi” interaksi kuat. Gaya nuklir ini 1038 kali lebih kuat dibandingkan interaksi terlemah—gaya gravitasi. Jika gaya kuat tersebut tiba-tiba lenyap, atom-atom di Alam Semesta akan langsung hancur. Di belakangnya ada molekul, lalu materi - seluruh realitas di sekitar kita akan lenyap, kecuali partikel elementer. Ciri menarik dari “hubungan” mereka adalah interaksi jarak pendek: partikel bermuatan positif, proton, tertarik satu sama lain hanya melalui kontak langsung.

Jika proton-proton dipisahkan pada jarak tertentu satu sama lain, elektromagnetik interaksi di mana partikel bermuatan sejenis tolak menolak, dan partikel bermuatan berbeda tarik menarik. Dalam kasus partikel tak bermuatan, gaya ini tidak muncul—ingatlah hukum Coulomb yang terkenal tentang muatan listrik titik stasioner. Pembawa gaya elektromagnetik adalah foton, yang antara lain menjamin transfer energi matahari ke planet kita. Pengecualian gaya ini mengancam bumi dengan pembekuan total. Interaksi elektromagnetik 1035 kali lebih kuat dari interaksi gravitasi, yaitu hanya 100 kali lebih lemah dari interaksi nuklir.

Alam telah menyediakan kekuatan fundamental lainnya, yang ditandai dengan intensitas yang semakin rendah dan radius aksi yang sangat kecil (kurang dari inti atom). Ini lemah interaksi - pembawanya adalah boson bermuatan khusus dan netral. Area tanggung jawab gaya lemah terutama adalah peluruhan beta neutron, disertai dengan pembentukan proton, elektron, dan (anti-)neutrino. Transformasi semacam ini sedang berlangsung secara aktif di Matahari, yang menentukan pentingnya interaksi mendasar ini bagi Anda dan saya.

(Tidak) gravitasi yang diketahui

Semua kekuatan yang dijelaskan telah dipelajari dengan cukup rinci dan diintegrasikan secara organik ke dalam gambaran fisik dunia. Namun, kekuatan terakhir gravitasi, ditandai dengan intensitas yang begitu rendah sehingga orang masih harus menebak-nebak esensinya.

Paradoks interaksi gravitasi adalah kita merasakannya setiap detik, tetapi kita tidak dapat mendeteksi pembawanya dengan cara apa pun. Yang ada hanyalah asumsi tentang keberadaan kuantum graviton hipotetis yang memiliki kecepatan cahaya. Ia mampu melakukan interferensi dan difraksi, tetapi tidak memiliki muatan. Para ilmuwan percaya bahwa ketika satu partikel memancarkan graviton, sifat geraknya berubah, dan situasi serupa terjadi pada partikel yang menerima kuantum. Tingkat perkembangan teknologi belum memungkinkan kita untuk “melihat” graviton dan mempelajari sifat-sifatnya lebih detail. Intensitas gravitasi 1025 kali lebih kecil dari interaksi lemah.

Bagaimana mungkin, kata Anda, gaya gravitasi tampaknya tidak lemah sama sekali! Ini adalah sifat unik dari interaksi fundamental No. 4. Misalnya, universalitas - benda apa pun dengan massa berapa pun menciptakan medan gravitasi di ruang angkasa yang dapat menembus rintangan apa pun. Selain itu, gaya gravitasi meningkat seiring dengan bertambahnya massa benda - suatu sifat yang hanya menjadi ciri interaksi ini.

Inilah sebabnya mengapa Bumi, yang berukuran sangat besar dibandingkan manusia, menciptakan medan gravitasi di sekelilingnya yang menahan udara, air, batu, dan tentu saja materi hidup di permukaannya. Jika kita menghilangkan gravitasi sekaligus, kecepatan kita pergi ke luar angkasa adalah 500 m/s. Seiring dengan interaksi elektromagnetik, gravitasi memiliki jangkauan aksi yang luas. Oleh karena itu, perannya dalam sistem pergerakan benda di Alam Semesta sangatlah besar. Bahkan antara dua orang yang terletak pada jarak yang cukup jauh satu sama lain, terdapat tarikan gravitasi mikroskopis.

Gravity Gun adalah senjata fiksi yang menciptakan medan gravitasi lokal. Senjata tersebut memungkinkan Anda untuk menarik, mengangkat, dan melempar benda menggunakan kekuatan yang dihasilkan oleh medan. Konsep ini pertama kali digunakan dalam permainan komputer Half-life 2.

Bayangkan sebuah gasing berputar yang dipasang secara vertikal di tengah bingkai cincin yang berputar bebas di sekitar sumbu horizontal. Bingkai ini - sebut saja internal - pada gilirannya dipasang pada bingkai melingkar eksternal, yang juga berputar bebas pada bidang horizontal. Struktur yang mengelilingi bagian atas disebut gimbal, dan semua ini bersama-sama giroskop.

Dalam keadaan diam, bagian atas giroskop berputar dengan tenang dalam posisi vertikal, tetapi segera setelah gaya luar - misalnya percepatan - mencoba memutar sumbu rotasi bagian atas, ia berubah tegak lurus terhadap pengaruh ini. Betapapun kerasnya kita mencoba memutar bagian atas giroskop, tetap saja berputar pada posisi vertikal. Giroskop tercanggih bahkan bereaksi terhadap rotasi bumi, yang pertama kali didemonstrasikan oleh orang Prancis Jean Bernard Foucault pada tahun 1851. Jika kita melengkapi giroskop dengan sensor yang membaca posisi bagian atas relatif terhadap bingkai, kita akan mendapatkan perangkat navigasi akurat yang memungkinkan kita melacak pergerakan suatu benda di luar angkasa - misalnya pesawat terbang.

Efek gravitasi

Gravitasi dapat menjadi lelucon yang kejam pada objek-objek besar yang jauh lebih masif di luar angkasa - misalnya, bintang-bintang pada tahap evolusi selanjutnya. Gaya gravitasi menekan bintang dan pada saat tertentu mengatasi tekanan internal. Ketika jari-jari suatu benda menjadi lebih kecil dari gaya gravitasinya, hal itu terjadi runtuh, dan bintang itu padam. Tidak ada lagi informasi yang datang darinya; bahkan sinar cahaya pun tidak dapat mengatasi gaya gravitasi yang sangat besar. Beginilah asal muasal lubang hitam.

Planet, benda yang jauh lebih kecil, memiliki karakteristik gravitasinya sendiri. Jadi, Bumi, karena massanya sendiri, membengkokkan ruang-waktu dan memelintirnya dengan rotasinya! Fenomena ini masing-masing disebut presesi geodesi dan efek gravitomagnetik.

Apa itu presesi geodetik? Mari kita bayangkan sebuah benda bergerak dalam orbit planet kita, dan pada permukaannya (dalam keadaan tanpa bobot) sebuah puncak berputar dengan kecepatan tinggi. Sumbunya akan menyimpang terhadap arah gerak dengan intensitas 6,6 detik busur per tahun. Bumi membengkokkan ruang-waktu di sekitarnya dengan massanya, sehingga menciptakan semacam takik di dalamnya.

Efek gravitasi(Efek Lense-Thirring) diilustrasikan dengan baik dengan perputaran sebatang tongkat di dalam madu kental: ia membawa massa manis yang kental, membentuk pusaran spiral. Demikian pula, Bumi memutar ruang-waktu “madu” di sekitar porosnya. Dan hal ini kembali terekam oleh sumbu bagian atas yang menyimpang searah rotasi bumi secara mikroskopis sebesar 0,04 detik busur per tahun.

Planet kita, dengan gravitasinya, mempengaruhi ruang dan waktu. Pernyataan ini sejak lama hanya menjadi hipotesis Einstein dan para pengikutnya, hingga pada tahun 2004 Amerika meluncurkan satelit Gravity Probe-B. Perangkat ini berputar di orbit kutub Bumi dan dilengkapi dengan giroskop paling akurat di dunia - analog yang rumit dari puncak. Kompleksitas mahakarya teknis ini dibuktikan dengan fakta bahwa ketidakteraturan pada bola giroskop tidak melebihi dua atau tiga atom. Jika kita memperbesar bola mini ini seukuran Bumi, maka ketinggian ketidakrataan terbesar tidak akan melebihi tiga meter! Trik semacam itu diperlukan untuk secara eksperimental membuktikan kelengkungan ruang-waktu itu. Dan setelah 17 bulan bekerja di orbit, peralatan tersebut mencatat perpindahan sumbu rotasi empat supergyro sekaligus!

Selama percobaan Gravity Probe-B, dua efek Teori Relativitas Umum terbukti: kelengkungan ruang-waktu (presesi geodesik) dan munculnya percepatan tambahan di dekat benda masif (efek gravitasi)

Gravitasi mempunyai banyak efek lain yang jauh lebih nyata. Misalnya, tidak ada satu organ pun di tubuh kita yang tidak beradaptasi dengan gravitasi.

Inilah sebabnya mengapa sangat tidak biasa dan bahkan berbahaya bagi seseorang untuk berada dalam keadaan tanpa bobot dalam waktu yang lama: darah didistribusikan kembali ke seluruh tubuh sedemikian rupa sehingga memberikan tekanan berlebihan pada pembuluh otak, dan tulang di atasnya. waktu menolak untuk menyerap garam kalsium dan menjadi rapuh, seperti alang-alang. Hanya melalui aktivitas fisik yang terus-menerus seseorang dapat melindungi sebagian dirinya dari dampak keadaan tanpa bobot.

Medan gravitasi Bulan mempengaruhi Bumi dan penghuninya - semua orang tahu tentang pasang surutnya air pasang. Akibat gaya sentrifugal, Bulan menjauh dari kita sebesar 4 cm per tahun, dan intensitas pasang surut semakin menurun. Pada zaman prasejarah, jarak Bulan lebih dekat ke Bumi, sehingga pasang surutnya pun signifikan. Mungkin inilah faktor utama yang menentukan munculnya organisme hidup di darat.

Meskipun kita masih belum mengetahui partikel mana yang menyebabkan gravitasi, kita dapat mengukurnya! Untuk tujuan ini, perangkat khusus digunakan - alat ukur gravimeter, yang dengannya para ahli geologi bekerja secara aktif untuk mencari mineral.

Pada ketebalan permukaan bumi, batuan mempunyai massa jenis yang berbeda-beda sehingga gaya gravitasinya pun berbeda-beda. Dengan cara ini Anda dapat mengidentifikasi endapan hidrokarbon ringan (minyak dan gas), serta batuan bijih logam padat. Mereka mengukur gaya tarik-menarik dengan mencatat perubahan sekecil apa pun dalam kecepatan jatuh bebas suatu benda dengan massa yang diketahui atau pukulan pendulum. Untuk tujuan ini, mereka bahkan memperkenalkan satuan pengukuran khusus - Gal (Gal) untuk menghormati Galileo Galilei, yang merupakan orang pertama dalam sejarah yang menentukan gaya gravitasi dengan mengukur jalur benda yang jatuh bebas.

Studi jangka panjang tentang gaya gravitasi bumi dari luar angkasa telah memungkinkan terciptanya peta anomali gravitasi di planet kita. Peningkatan gravitasi yang tajam pada sebidang tanah tertentu mungkin merupakan pertanda terjadinya gempa bumi atau letusan gunung berapi.

Studi tentang interaksi fundamental hanya mendapatkan momentum. Tidak dapat dikatakan dengan pasti bahwa hanya ada empat gaya - mungkin ada lima atau sepuluh. Para ilmuwan mencoba mengumpulkan semua interaksi di bawah “atap” satu model, namun penciptaannya masih sangat jauh. Dan pusat gravitasi utama menjadi graviton hipotetis. Mereka yang skeptis berpendapat bahwa manusia tidak akan pernah bisa mendeteksi kuantum ini karena intensitasnya terlalu rendah, namun mereka yang optimis percaya akan masa depan teknologi dan metode fisika. Tunggu dan lihat.