Interacțiunea este motivul principal al mișcării materiei, prin urmare interacțiunea este inerentă tuturor obiectelor materiale, indiferent de originea lor naturală și organizarea sistemică. Caracteristicile diferitelor interacțiuni determină condițiile de existență și proprietățile specifice ale obiectelor materiale. În total, sunt cunoscute patru tipuri de interacțiuni: gravitațională, electromagnetică, puternică și slabă.

Gravitațional interacțiunea a fost prima dintre interacțiunile fundamentale cunoscute care a devenit subiect de cercetare de către oamenii de știință. Se manifestă prin atracția reciprocă a oricăror obiecte materiale care au masă, se transmite prin câmpul gravitațional și este determinată de legea gravitației universale, care a fost formulată de I. Newton.

Legea gravitației universale descrie căderea corpurilor materiale în câmpul Pământului, mișcarea planetelor sistemului solar, a stelelor etc. Pe măsură ce masa materiei crește, interacțiunile gravitaționale cresc. Interacțiunea gravitațională este cea mai slabă dintre toate interacțiunile cunoscute de știința modernă. Cu toate acestea, interacțiunile gravitaționale determină structura întregului Univers: formarea tuturor sistemelor cosmice; existența planetelor, stelelor și galaxiilor. Rolul important al interacțiunii gravitaționale este determinat de universalitatea sa: toate corpurile, particulele și câmpurile participă la ea.

Purtătorii interacțiunii gravitaționale sunt gravitonii - cuante ale câmpului gravitațional.

Electromagnetic interacțiunea este, de asemenea, universală și există între orice corp din micro-, macro- și mega-lume. Interacțiunea electromagnetică este cauzată de sarcini electrice și este transmisă prin intermediul câmpurilor electrice și magnetice. Un câmp electric apare în prezența sarcinilor electrice, iar un câmp magnetic apare în mișcarea sarcinilor electrice. Interacțiunea electromagnetică este descrisă de: legea lui Coulomb, legea lui Ampere etc., iar într-o formă generalizată - de teoria electromagnetică a lui Maxwell, conectând câmpurile electrice și magnetice. Datorită interacțiunii electromagnetice, apar atomi, molecule și au loc reacții chimice. Reacțiile chimice sunt o manifestare a interacțiunilor electromagnetice și sunt rezultatul redistribuirii legăturilor dintre atomi din molecule, precum și a numărului și compoziției atomilor din moleculele diferitelor substanțe. Diverse stări ale materiei, forțe elastice, frecare etc. sunt determinate de interacțiunea electromagnetică. Purtătorii interacțiunii electromagnetice sunt fotonii - cuante ale câmpului electromagnetic cu masă în repaus zero.

În interiorul nucleului atomic există interacțiuni puternice și slabe. Puternic interacţiunea asigură conectarea nucleonilor în nucleu. Această interacțiune este determinată de forțele nucleare care au independență de sarcină, acțiune cu rază scurtă de acțiune, saturație și alte proprietăți. Interacțiunea puternică deține nucleonii (protoni și neutroni) în nucleu și quarcii în interiorul nucleonilor și este responsabil pentru stabilitatea nucleelor ​​atomice. Folosind interacțiunea puternică, oamenii de știință au explicat de ce protonii nucleului atomic nu se despart sub influența forțelor de respingere electromagnetice. Interacțiunea puternică este transmisă de gluoni - particule care „lipesc” quarcii, care fac parte din protoni, neutroni și alte particule.

Slab interacțiunea operează și numai în microcosmos. Toate particulele elementare, cu excepția fotonului, participă la această interacțiune. Ea provoacă cele mai multe dintre descompunerea particulelor elementare, așa că descoperirea sa a venit după descoperirea radioactivității. Prima teorie a interacțiunii slabe a fost creată în 1934 de E. Fermi și dezvoltată în anii 1950. M. Gell-Man, R. Feynman și alți oameni de știință. Purtătorii interacțiunii slabe sunt considerați a fi particule cu o masă de 100 de ori mai mare decât masa protonilor - bosoni vectori intermediari.

Caracteristicile interacțiunilor fundamentale sunt prezentate în tabel. 2.1.

Tabelul 2.1

Caracteristicile interacțiunilor fundamentale

Tabelul arată că interacțiunea gravitațională este mult mai slabă decât alte interacțiuni. Raza sa de acțiune este nelimitată. Nu joacă un rol semnificativ în microprocese și în același timp este fundamental pentru obiectele cu mase mari. Interacțiunea electromagnetică este mai puternică decât interacțiunea gravitațională, deși raza sa de acțiune este, de asemenea, nelimitată. Interacțiunile puternice și slabe au o gamă de acțiune foarte limitată.

Una dintre cele mai importante sarcini ale științelor naturale moderne este crearea unei teorii unificate a interacțiunilor fundamentale care unește diferite tipuri de interacțiuni. Crearea unei astfel de teorii ar însemna și construirea unei teorii unificate a particulelor elementare.

Formarea norilor protogalactici la mai puțin de aproximativ 1 miliard de ani după Big Bang

Suntem bine conștienți de forța gravitației, care ne ține pe pământ și îngreunează zborul către Lună. Și electromagnetism, datorită căruia nu ne despărțim în atomi individuali și putem conecta laptopuri. Fizicianul vorbește despre încă două forțe care fac Universul exact așa cum este.

Încă de la școală, cu toții cunoaștem bine legea gravitației universale și legea lui Coulomb. Primul ne explică modul în care obiectele masive precum stelele și planetele interacționează (se atrag) unele pe altele. Un altul arată (amintiți-vă experimentul cu un baston de ebonită) ce forțe de atracție și repulsie apar între obiectele încărcate electric.

Dar este acesta întregul set de forțe și interacțiuni care determină aspectul Universului pe care îl observăm?

Fizica modernă spune că există patru tipuri de interacțiuni principale (fundamentale) între particulele din Univers. Am vorbit deja despre două dintre ele mai sus și cu ei, s-ar părea, totul este simplu, deoarece manifestările lor ne înconjoară constant în viața de zi cu zi: aceasta este interacțiunea gravitațională și electromagnetică.

Deci, datorită acțiunii primului, stăm ferm pe pământ și nu zburăm în spațiul cosmic. Al doilea, de exemplu, asigură atracția unui electron către un proton din atomii din care suntem formați cu toții și, în cele din urmă, atracția atomilor unul față de celălalt (adică, este responsabil pentru formarea moleculelor, a țesuturilor biologice etc. .). Deci tocmai din cauza forțelor interacțiunii electromagnetice, de exemplu, se dovedește că nu este atât de ușor să arunci în aer capul unui vecin enervant și, în acest scop, trebuie să apelăm la ajutorul unui topor de diverse mijloace improvizate.

Dar există și așa-numita interacțiune puternică. De ce este responsabil? Nu ai fost surprins la școală de faptul că, în ciuda afirmației legii lui Coulomb că două sarcini pozitive ar trebui să se respingă una pe cealaltă (doar cele opuse se atrag), nucleele multor atomi există în liniște pentru ei înșiși. Dar ele constau, după cum vă amintiți, din protoni și neutroni. Neutronii sunt neutroni deoarece sunt neutri și nu au sarcină electrică, dar protonii sunt încărcați pozitiv. Și ce, ne întrebăm, ce fel de forțe pot ține împreună (la o distanță de o trilionime de micron - care este de o mie de ori mai mică decât atomul însuși!) mai mulți protoni, care, conform legii lui Coulomb, ar trebui să se respingă între ei cu o energie groaznică?

Interacțiune puternică - asigură atracție între particulele din nucleu; electrostatic - repulsie

Această sarcină cu adevărat titanică de a depăși forțele Coulomb este preluată de interacțiunea puternică. Deci, nici mai mult, nici mai puțin, datorită acesteia, protonii (precum și neutronii) din nucleu sunt încă atrași unul de celălalt. Apropo, protonii și neutronii înșiși sunt formați din și mai multe particule „elementare” - quarci. Deci, quarkurile interacționează și se atrag „puternic”. Dar, din fericire, spre deosebire de aceeași interacțiune gravitațională, care funcționează și la distanțe cosmice de multe miliarde de kilometri, interacțiunea puternică este, după cum se spune, de scurtă durată. Aceasta înseamnă că câmpul de „atracție puternică” care înconjoară un proton funcționează doar la scari mici, comparabile, de fapt, cu dimensiunea nucleului.

Prin urmare, de exemplu, un proton care se află în nucleul unuia dintre atomi nu poate, în ciuda repulsiei Coulomb, să ia și să atragă „puternic” un proton de la un atom vecin. În caz contrar, toată materia de protoni și neutroni din Univers ar putea fi „atrasă” de un centru de masă comun și ar putea forma un „supernucleu” uriaș. Ceva asemănător, totuși, se întâmplă în grosimea stelelor neutronice, într-una dintre care, așa cum este de așteptat, într-o zi (aproximativ cinci miliarde de ani) Soarele nostru se va micșora.

Deci, a patra și ultima dintre interacțiunile fundamentale din natură este așa-numita interacțiune slabă. Nu degeaba se numește așa: nu numai că funcționează chiar și la distanțe chiar mai mici decât interacțiunea puternică, dar are și o putere foarte scăzută. Deci, spre deosebire de „fratele” său puternic, repulsia coulombiană, nu va învinge.

Un exemplu izbitor care demonstrează slăbiciunea interacțiunilor slabe sunt particulele numite neutrini (pot fi traduse ca „neutron mic”, „neutron”). Aceste particule, prin natura lor, nu participă la interacțiuni puternice, nu au o sarcină electrică (și, prin urmare, nu sunt susceptibile la interacțiuni electromagnetice), au o masă nesemnificativă chiar și după standardele microlumii și, prin urmare, sunt practic insensibile la gravitația, de fapt, sunt capabile doar de interacțiuni slabe.

Ce? Neutrinii trec prin mine?!

În același timp, neutrinii sunt generați în cantități cu adevărat colosale în Univers, iar un flux uriaș al acestor particule pătrunde constant în grosimea Pământului. De exemplu, în volumul unei cutii de chibrituri, în medie, există aproximativ 20 de neutrini la un moment dat. Astfel, vă puteți imagina un butoi uriaș de detector de apă, despre care am scris în ultima mea postare, și cantitatea incredibilă de neutrini care zboară prin el în orice moment. Așadar, oamenii de știință care lucrează la acest detector trebuie de obicei să aștepte luni de zile pentru o șansă atât de norocoasă încât cel puțin un neutrin să-și „simte” țeava și să interacționeze în el cu forțele sale slabe.

Cu toate acestea, chiar și în ciuda slăbiciunii sale, această interacțiune joacă un rol foarte important în Univers și în viața umană. Astfel, se dovedește a fi responsabil pentru unul dintre tipurile de radioactivitate - și anume, dezintegrarea beta, care este a doua (după radioactivitatea gamma) în ceea ce privește gradul de pericol al impactului său asupra organismelor vii. Și, nu mai puțin important, fără interacțiunea slabă ar fi imposibil ca reacțiile termonucleare să aibă loc în adâncurile multor stele și responsabile de eliberarea energiei stelei.

Așa sunt cei patru călăreți ai Apocalipsei interacțiunilor fundamentale care conduc spectacolul în Univers: puternici, electromagnetici, slabi și gravitaționali.

» Care sunt interacțiunile fundamentale?

Astăzi aș vrea să vă vorbesc despre forțele sau interacțiunile fundamentale. Veți afla care sunt, câte sunt și de ce sunt necesare.

Începem!

Care sunt forțele fundamentale?

Există multe forțe fizice și interacțiuni în Universul nostru. De exemplu, forța de frecare, reacțiile nucleare și legăturile chimice. Dar toate sunt secundare, cu excepția anumitor patru interacțiuni. Ele sunt numite „fundamentale”. Sunt tipuri de interacțiune a particulelor elementare și determină toate celelalte forțe din natură.

La începutul universului, a existat o interacțiune fundamentală. Dar asta nu a durat mult. Deja până la sfârșitul primei secunde de după, forța fundamentală unică a fost împărțită în patru interacțiuni separate: puternică, slabă, electromagnetică și gravitațională. Să le privim pe toate.

Interacțiune puternică.

Te-ai întrebat vreodată de ce atomii majorității elementelor chimice sunt stabili? S-ar părea că nu este nimic complicat aici. Cu toate acestea, în anii 30 ai secolului trecut, căutarea unui răspuns la această întrebare i-a forțat pe oamenii de știință să transpire.

Probabil știi din cursul școlii de fizică și chimie că un atom este format din două părți: un nucleu și electroni care se rotesc în jurul lui. Nucleul, la rândul său, este format din „nucleoni” - protoni și neutroni.

Atomul este neutru din punct de vedere electric. Dar în miezul său există doar particule încărcate pozitiv și neutru - protoni și neutroni. Este bine cunoscut faptul că numai corpurile încărcate opus se pot atrage unele pe altele - cu alte cuvinte, „plus” la „minus”. Prin urmare, protonii și neutronii trebuie să se respingă reciproc. Cu toate acestea, în realitate, atomii nucleului încă există și nu contează. Care este motivul?

— Poate că totul ține de gravitație? – au gândit atunci fizicienii. Sa dovedit că nu. Interacțiunea gravitațională, fiind cea mai slabă dintre toate, nu ar fi capabilă să reziste forțelor electromagnetice.

Aceasta înseamnă că există o forță destul de puternică care leagă nucleonii în atomi stabili ai nucleului. Se numește „interacțiune puternică”. Mai târziu s-a dovedit că leagă și quarcii (reprezentanții unuia dintre grupurile de particule fundamentale) în particule compozite numite „hadroni” - de exemplu, aceiași protoni și neutroni.

Interacțiunea puternică implică quarci, hadroni și gluoni. Gluonii nu au masă și sunt purtători ai forței puternice. Ele sunt schimbate de quarci și astfel realizează această forță fundamentală.

Forța nucleară puternică este cea mai puternică forță din natură. Este de o mie de ori mai puternic decât electromagnetic și de 100.000 de ori mai puternic decât „nucleul slab”, iar puterea sa depășește gravitația de până la 1039 (de 10 până la 39 de ori).

Interacțiunea puternică este brutală - din cauza ei, oamenii de știință nu pot observa quarcii în stare liberă. Aceste particule sărace sunt pentru totdeauna prinse în hadroni. S-a dovedit că cu cât quarcurile sunt mai departe unul de celălalt, cu atât atracția lor este mai puternică. Prin urmare, aceste particule nu sunt niciodată observate rătăcind singure în spațiu și există doar în hadroni.

Electromagnetism.

Toate corpurile și particulele care au o sarcină electrică participă la interacțiunea electromagnetică. Cu toate acestea, există excepții - pot participa particule neutre, dar formate din cele încărcate. Un exemplu izbitor este neutronul. Are o sarcină neutră, dar constă din quarci încărcați.

Interacțiunea electromagnetică are loc între particulele încărcate printr-un câmp electromagnetic. Cuantica sa (particula fundamentală) este fotonul - și trolul întregului univers.

Electromagnetismul constă în faptul că particulele încărcate interacționează între ele, schimbând fotoni.

Forțele electromagnetice apar atât sub formă de forțe de atracție (un corp cu sarcină pozitivă este atras de unul încărcat negativ) cât și de repulsie.

Această interacțiune joacă un rol foarte important în natură datorită interacțiunii sale. Determină structura moleculelor (legăturilor chimice) și a învelișurilor de electroni din atomi. Prin urmare, multe lucruri se reduc la electromagnetism.

Cele mai multe dintre forțele fizice obișnuite pe care „mecanica clasică” a lui Newton le consideră forța de frecare, elasticitatea, tensiunea superficială etc. - au caracter electromagnetic.

Forțele electromagnetice determină, de asemenea, majoritatea proprietăților fizice ale corpurilor din macrocosmos, precum și schimbarea acestora în timpul tranziției de la o stare de agregare la alta. Această interacțiune stă la baza fenomenelor electrice, magnetice, optice și chimice.

Forțe nucleare slabe.

Interacțiunea slabă are loc la distanțe mult mai mici decât nucleul atomic. Este mai slab decât cele două forțe fundamentale descrise mai sus, dar mai puternic decât gravitația.

Forțele nucleare slabe implică două grupuri de particule fundamentale (leptoni și quarci) și hadroni. În procesul de interacțiune slabă, particulele schimbă „purtători” - bozoni W și Z, care sunt destul de masivi, în contrast cu gluonii și fotonii fără masă.

Forțele nucleare slabe joacă un rol important în natură. Apariția reacțiilor termonucleare în stele este cauzată tocmai de această interacțiune. Cu alte cuvinte, datorită forțelor nucleare slabe, Soarele și alte corpuri gazoase ard.

Dar asta nu este tot. Forța slabă este responsabilă pentru dezintegrarea beta a nucleelor ​​atomice. Acest proces este unul dintre cele trei tipuri de radioactivitate. Constă în emisia de „particule beta” de către nucleu: electroni sau pozitroni.

Datorită interacțiunii slabe, așa-numita „degradare slabă”. Acesta este momentul în care particulele masive sunt împărțite în altele mai ușoare. Un caz special important este dezintegrarea unui neutron - acesta se poate transforma într-un proton, electron și antineutrino.

Gravitatie.

Interacțiune fundamentală universală. Toate corpurile materiale sunt supuse acesteia - de la particule elementare la galaxii uriașe. Această forță fundamentală este cea mai slabă dintre toate și se exprimă prin dorința corpurilor materiale unele față de altele - atracție.

Gravitația este o forță cu rază lungă de acțiune și controlează cele mai globale procese din Univers. Datorită acesteia, stelele și clusterele lor au fost grupate în galaxii. Datorită acesteia, stelele gazoase se formează în nebuloase, bucăți reci de piatră din spațiu sunt grupate în planete, iar o minge aruncată în sus de tine va cădea cu siguranță.

Gravitația îi păcălește pe fizicieni de câteva decenii. Este subiectul unui conflict pe termen lung între două teorii fizice principale: mecanica cuantică și relativitatea. Dar de ce?

Faptul este că teoria generală a relativității și fizica cuantică sunt construite pe principii diferite și descriu această forță fundamentală în moduri diferite.

Einstein a explicat gravitația ca fiind curbura spațiu-timp în sine datorită maselor corpurilor materiale. Și fizica cuantică o „cuantifică” - o descrie ca o interacțiune care are propriile sale particule purtătoare. Se numesc „gravitoni”.

În mecanica cuantică, spațiu-timp nu este reprezentat de o „variabilă dinamică”, adică. nu depinde de corpurile și sistemele aflate în el. Și asta contravine teoriei relativității.

Dar ceea ce este cel mai surprinzător este că, în ciuda diferențelor fundamentale, toate aceste două teorii au fost dovedite experimental. Mecanica cuantică descrie perfect microlumea, iar teoria relativității descrie Universul la scară macroscopică.

În prezent, sunt în curs de încercare de a combina fizica relativistă cu cea cuantică și de a descrie fără probleme gravitația. Apoi va fi construită o „teorie a totul”, iar candidatul principal pentru acest titlu este „teoria corzilor”, încurcat până la refuz cu cele 11 dimensiuni ale sale.

Post navigare

Interacțiuni fundamentale

În natură, există o mare varietate de sisteme și structuri naturale, ale căror caracteristici și dezvoltare sunt explicate prin interacțiunea obiectelor materiale, adică acțiunea reciprocă unul asupra celuilalt. Exact interacțiunea este principalul motiv al mișcării materiei și este caracteristică tuturor obiectelor materiale, indiferent de originea și organizarea lor sistemică.. Interacțiunea este universală, la fel ca și mișcarea. Obiectele care interacționează fac schimb de energie și impuls (acestea sunt principalele caracteristici ale mișcării lor). În fizica clasică, interacțiunea este determinată de forța cu care un obiect material acționează asupra altuia. Multă vreme paradigma a fost conceptul de acțiune cu rază lungă de acțiune - interacțiunea obiectelor materiale situate la mare distanță unele de altele și se transmite instantaneu prin spațiul gol. În prezent, un altul a fost confirmat experimental - conceptul de interacțiune pe distanță scurtă - interacțiunea se transmite folosind câmpuri fizice cu o viteză finită care nu depășește viteza luminii în vid. Un câmp fizic este un tip special de materie care asigură interacțiunea obiectelor materiale și sistemele acestora (următoarele câmpuri: electromagnetic, gravitațional, câmp de forțe nucleare - slab și puternic). Sursa câmpului fizic sunt particulele elementare (particule electromagnetice încărcate), în teoria cuantică interacțiunea se datorează schimbului de quante de câmp între particule.

Există patru interacțiuni fundamentale în natură: puternice, electromagnetice, slabe și gravitaționale, care determină structura lumii înconjurătoare.

Interacțiune puternică(interacţiunea nucleară) este atracţia reciprocă a părţilor constitutive ale nucleelor ​​atomice (protoni şi neutroni) şi acţionează la o distanţă de ordinul a 10 -1 3 cm, transmisă de gluoni. Din punctul de vedere al interacțiunii electromagnetice, un proton și un neutron sunt particule diferite, deoarece un proton este încărcat electric, iar un neutron nu. Dar din punctul de vedere al interacțiunii puternice, aceste particule nu se pot distinge, deoarece într-o stare stabilă neutronul este o particulă instabilă și se descompune într-un proton, electron și neutrin, dar în nucleu devine similar în proprietățile unui proton, motiv pentru care termenul „nucleon ( din lat. nucleu- nucleu)” și un proton cu un neutron a început să fie considerat ca două stări diferite ale nucleonului. Cu cât interacțiunea nucleonilor din nucleu este mai puternică, cu atât nucleul este mai stabil, cu atât energia specifică de legare este mai mare.

Într-o substanță stabilă, interacțiunea dintre protoni și neutroni la temperaturi nu prea ridicate crește, dar dacă are loc o ciocnire a nucleelor ​​sau a părților acestora (nucleoni de înaltă energie), atunci apar reacții nucleare, care sunt însoțite de eliberarea de energie enormă.

În anumite condiții, interacțiunea puternică leagă foarte ferm particulele în nucleele atomice - sisteme de materiale cu energie de legare mare. Din acest motiv, nucleele atomilor sunt foarte stabile și greu de distrus.

Fără interacțiuni puternice, nucleele atomice nu ar exista, iar stelele și Soarele nu ar putea genera căldură și lumină folosind energia nucleară.

Interacțiune electromagnetică transmise cu ajutorul câmpurilor electrice și magnetice. Un câmp electric apare în prezența sarcinilor electrice, iar un câmp magnetic apare atunci când acestea se mișcă. Un câmp electric în schimbare generează un câmp magnetic alternativ - aceasta este sursa câmpului magnetic alternativ. Acest tip de interacțiune este caracteristic particulelor încărcate electric. Purtătorul interacțiunii electromagnetice este un foton care nu are sarcină - un cuantum al câmpului electromagnetic. În procesul de interacțiune electromagnetică, electronii și nucleele atomice se combină în atomi, iar atomii în molecule. Într-un anumit sens, această interacțiune este fundamentală în chimie și biologie.

Primim aproximativ 90% din informațiile despre lumea din jurul nostru printr-o undă electromagnetică, din moment ce diverse stări ale materiei, frecare, elasticitate etc. sunt determinate de forțele interacțiunii intermoleculare, care sunt de natură electromagnetică. Interacțiunile electromagnetice sunt descrise de legile teoriei electromagnetice ale lui Coulomb, Ampere și Maxwell.

Interacțiunea electromagnetică stă la baza creării diverselor aparate electrice, radiouri, televizoare, calculatoare etc. Este de aproximativ o mie de ori mai slab decât unul puternic, dar cu rază de acțiune mult mai lungă.

Fără interacțiuni electromagnetice nu ar exista atomi, molecule, macro-obiecte, căldură și lumină.

3. Interacțiune slabă probabil între diverse particule, cu excepția fotonului, este cu rază scurtă de acțiune și se manifestă la distanțe mai mici decât dimensiunea nucleului atomic 10 -15 - 10 -22 cm.Interacțiunea slabă este mai slabă decât interacțiunea puternică și procesele cu interacțiune slabă continuă. mai lent decât cu o interacțiune puternică. Responsabil pentru dezintegrarea particulelor instabile (de exemplu, transformarea unui neutron într-un proton, electron, antineutrino). Din cauza acestei interacțiuni, majoritatea particulelor sunt instabile. Purtătorii de interacțiune slabi sunt ionii, particulele cu o masă de 100 de ori mai mare decât masa protonilor și neutronilor. Datorită acestei interacțiuni, Soarele strălucește (un proton se transformă într-un neutron, pozitron, neutrin, neutrinul emis are o capacitate uriașă de penetrare).

Fără interacțiuni slabe, reacțiile nucleare în adâncurile Soarelui și stelelor nu ar fi posibile și nu ar apărea stele noi.

4. Interacțiune gravitațională cel mai slab, nu este luat în considerare în teoria particulelor elementare, întrucât la distanțe caracteristice (10 -13 cm) efectele sunt mici, iar la distanțe ultra-mici (10 -33 cm) și la energii ultra-înalte, gravitația. devine importantă şi încep să apară proprietăţile neobişnuite ale vidului fizic .

Gravitația (din latinescul gravitas - „gravitație”) - interacțiunea fundamentală este pe distanță lungă (aceasta înseamnă că indiferent de cât de masiv se mișcă un corp, în orice punct al spațiului potențialul gravitațional depinde doar de poziția corpului la un anumit punct). moment în timp) și toate corpurile materiale îi sunt supuse . Practic, gravitația joacă un rol decisiv la scară cosmică, Megaworld.

În cadrul mecanicii clasice, este descrisă interacțiunea gravitațională legea gravitației universale Newton, care afirmă că forța de atracție gravitațională dintre două puncte materiale de masă m 1 și m 2 separate prin distanță R, Există

Unde G- constantă gravitațională.

Fără interacțiuni gravitaționale nu existau galaxii, stele, planete sau evoluție a Universului.

Timpul în care are loc transformarea particulelor elementare depinde de puterea interacțiunii (cu interacțiune puternică, reacțiile nucleare au loc în 10 -24 - 10 -23 s., cu electromagnetice - modificările apar în 10 -19 - 10 -21 s. , cu dezintegrare slabă în 10 -10 s.).

Toate interacțiunile sunt necesare și suficiente pentru construirea unei lumi materiale complexe și diverse, din care, potrivit oamenilor de știință, se poate obține superputere(la temperaturi sau energii foarte ridicate toate cele patru forțe se combină pentru a se forma unu).

Ce puteri știi? Gravitația, tensiunea firului, compresie arc, ciocniri de corpuri, forță de frecare, explozie, aer și rezistență medie, tensiune superficială a unui lichid, forță van der Waals - și lista nu se termină aici. Dar toate aceste forțe sunt derivate a celor patru fundamentale! Vom vorbi despre ele.

Patru forțe

Baza fundamentelor legilor fizice sunt patru interacțiuni fundamentale, care sunt responsabili pentru toate procesele din Univers. Dacă particulele elementare pot fi comparate cu elementele de bază ale existenței, atunci interacțiunile sunt mortarul de ciment. Puternic, electromagnetic, slab și gravitațional - în această ordine, de la puternic la slab, sunt luate în considerare interacțiunile. Ele nu pot fi reduse la altele mai simple - de aceea sunt numite fundamentale.

Înainte de a începe să descriem forțele, este necesar să explicăm ce se înțelege prin cuvântul interacțiune. Fizicienii îl consideră ca rezultat al schimbului anumitor intermediari, de obicei sunt numiți purtători de interacțiune.

Să începem cu cele mai intense. Puternic interacțiunea a fost descoperită în anii 30 ai secolului trecut în perioada cercetării active a atomului. S-a dovedit că integritatea și stabilitatea miezului său este asigurată tocmai de interacțiunea extrem de puternică nucleoniiîntre ei.

Nucleonii(din latină nucleus - nucleu) - un nume comun pentru protoni și neutroni, principalele componente ale nucleului unui atom. Din punctul de vedere al interacțiunii puternice, aceste particule nu se pot distinge. Neutronul este cu 0,13% mai greu decât protonul - acest lucru a fost suficient pentru a deveni singura particulă elementară cu o masă de repaus pentru care a fost observată interacțiunea gravitațională.

Conținutul nucleelor ​​este atras unul de celălalt datorită cuantelor speciale - π-mezoni, care sunt purtătorii „oficiali” ai interacțiunii puternice. Această forță nucleară este de 1038 de ori mai intensă decât cea mai slabă interacțiune - forța gravitațională. Dacă forța puternică ar dispărea brusc, atomii din Univers s-ar dezintegra instantaneu. În spatele lor sunt molecule, apoi materia - întreaga realitate din jurul nostru ar înceta să mai existe, cu excepția particulelor elementare. O caracteristică interesantă a „relației” lor este interacțiunea pe distanță scurtă: particulele încărcate pozitiv, protonii, sunt atrași unul de celălalt numai prin contact direct.

Dacă protonii sunt separați la o anumită distanță unul de celălalt, electromagnetic o interacțiune în care particulele cu încărcare similară se resping și particulele cu încărcare diferită se atrag. În cazul particulelor neîncărcate, această forță nu apare - amintiți-vă de celebra lege a lui Coulomb despre sarcinile electrice punctuale staționare. Purtătorii forțelor electromagnetice sunt fotonii, care, printre altele, asigură transferul energiei solare către planeta noastră. Excluderea acestei forțe amenință Pământul cu înghețarea completă. Interacțiunea electromagnetică este de 1035 de ori mai puternică decât interacțiunea gravitațională, adică doar de 100 de ori mai slabă decât interacțiunea nucleară.

Natura a oferit o altă forță fundamentală, caracterizată printr-o intensitate extrem de scăzută și o rază de acțiune foarte mică (mai mică decât un nucleu atomic). Acest slab interacțiune - purtătorii săi sunt bosoni neutri și încărcați speciali. Zona de responsabilitate a forțelor slabe este în primul rând dezintegrarea beta a neutronului, însoțită de formarea unui proton, electron și (anti-)neutrin. Astfel de transformări au loc activ pe Soare, ceea ce determină importanța acestei interacțiuni fundamentale pentru tine și pentru mine.

Gravitație (ne)cunoscută

Toate forțele descrise au fost studiate suficient de detaliu și sunt integrate organic în tabloul fizic al lumii. Cu toate acestea, ultima forță gravitațională, se caracterizează printr-o intensitate atât de scăzută încât încă mai trebuie să ghicim despre esența sa.

Paradoxul interacțiunii gravitaționale este că o simțim în fiecare secundă, dar nu putem detecta purtătorul în niciun fel. Există doar o presupunere despre existența unui cuantum graviton ipotetic, care are viteza luminii. Este capabil de interferență și difracție, dar este lipsit de sarcină. Oamenii de știință cred că atunci când o particulă emite un graviton, natura mișcării sale se schimbă și o situație similară are loc cu o particulă care primește un cuantic. Nivelul de dezvoltare tehnologică nu ne permite încă să „vedem” gravitonul și să-i studiem proprietățile mai detaliat. Intensitatea gravitației este de 1025 de ori mai mică decât interacțiunea slabă.

Cum este posibil, zici tu, ca forța gravitației să nu pară deloc slabă! Acestea sunt proprietățile unice ale interacțiunii fundamentale nr. 4. De exemplu, universalitatea - orice corp cu orice masă creează un câmp gravitațional în spațiu care poate pătrunde prin orice obstacol. Mai mult, forța gravitației crește odată cu masa obiectului - o proprietate caracteristică doar acestei interacțiuni.

Acesta este motivul pentru care Pământul, care este gigantic în comparație cu oamenii, creează în jurul său un câmp gravitațional care reține aer, apă, roci și, desigur, materie vie la suprafață. Dacă anulăm gravitația dintr-o dată, viteza cu care vom merge în spațiu va fi de 500 m/s. Alături de interacțiunea electromagnetică, gravitația are o gamă lungă de acțiune. Prin urmare, rolul său în sistemul corpurilor în mișcare din Univers este enorm. Chiar și între doi oameni aflați la o distanță considerabilă unul de celălalt, există o atracție gravitațională microscopică.

Pistolul gravitațional este o armă fictivă care creează un câmp gravitațional localizat. Arma vă permite să atrageți, să ridicați și să aruncați obiecte folosind forța generată de câmp. Acest concept a fost folosit pentru prima dată în jocul de calculator Half-life 2.

Imaginați-vă un top rotativ montat vertical în centrul unui cadru inel care se rotește liber în jurul unei axe orizontale. Acest cadru - să-l numim intern - este la rândul său fixat pe un cadru inelar extern, care se rotește și el liber în plan orizontal. Structura din jurul vârfului se numește gimbal, și toate acestea împreună giroscop.

În repaus, partea superioară a giroscopului se rotește pașnic într-o poziție verticală, dar de îndată ce forțele externe - de exemplu, accelerația - încearcă să rotească axa de rotație a vârfului, acesta se întoarce perpendicular pe această influență. Indiferent cât de mult încercăm să rotim partea superioară a giroscopului, acesta se va roti în continuare în poziție verticală. Cele mai avansate giroscoape chiar reacționează la rotația Pământului, ceea ce a fost demonstrat pentru prima dată de un francez Jean Bernard Foucaultîn 1851. Dacă echipăm giroscopul cu un senzor care citește poziția vârfului față de cadru, vom obține un dispozitiv de navigare precis care ne permite să urmărim mișcarea unui obiect în spațiu - de exemplu, un avion.

Efecte gravitaționale

Gravitația poate juca o glumă crudă asupra obiectelor mari și mult mai masive din spațiu - de exemplu, stelele aflate în etapele ulterioare ale evoluției. Forța gravitației comprimă steaua și la un moment dat învinge presiunea internă. Atunci când raza unui astfel de obiect devine mai mică decât gravitațională, se întâmplă colaps, iar steaua se stinge. Nu mai provine informații din el; chiar și razele de lumină nu pot depăși forța gigantică a gravitației. Așa se naște o gaură neagră.

Planetele, obiecte mult mai mici, au propriile lor caracteristici gravitaționale. Deci, Pământul, datorită propriei sale mase, îndoaie spațiu-timp și îl răsucește cu rotația sa! Aceste fenomene sunt numite precesie geodezică și, respectiv, efect gravitomagnetic.

Ce este precesia geodezică? Să ne imaginăm că un obiect se mișcă pe orbita planetei noastre, pe suprafața căruia (în imponderabilitate) un vârf se rotește cu viteză mare. Axa sa se va abate în direcția mișcării cu o intensitate de 6,6 secunde de arc pe an. Pământul îndoaie spațiul-timp înconjurător cu masa sa, creând un fel de crestătură în el.

Efect gravitomagnetic(Efectul Lensee-Thirring) este bine ilustrat de rotirea unui baston în miere groasă: poartă de-a lungul unei mase vâscoase dulce, formând un vârtej spiralat. La fel, Pământul rotește „mierea” spațiu-timp în jurul axei sale. Și acest lucru este din nou înregistrat de axa vârfului, care deviază în direcția de rotație a Pământului cu 0,04 secunde de arc microscopice pe an.

Planeta noastră, cu gravitația sa, influențează timpul și spațiul. Această afirmație a rămas multă vreme doar o ipoteză a lui Einstein și a adepților săi, până când în 2004 americanii au lansat satelitul Gravity Probe-B. Dispozitivul s-a rotit pe orbita polară a Pământului și a fost echipat cu cele mai precise giroscoape din lume - analogi complicati de vârfuri. Complexitatea acestor capodopere tehnice este evidențiată de faptul că neregulile de pe bilele giroscopului nu depășeau doi sau trei atomi. Dacă măriți aceste sfere miniaturale la dimensiunea Pământului, atunci înălțimea celei mai mari denivelări nu va depăși trei metri! Astfel de trucuri au fost necesare pentru a stabili experimental acea curbură a spațiu-timpului. Și după 17 luni de lucru pe orbită, echipamentul a înregistrat o deplasare a axelor de rotație a patru supergiro-uri deodată!

În timpul experimentului Gravity Probe-B, s-au dovedit două efecte ale Teoriei Generale a Relativității: curbura spațiu-timp (precesia geodezică) și apariția unei accelerații suplimentare în apropierea corpurilor masive (efect gravitomagnetic)

Gravitația are o mulțime de alte efecte, mult mai evidente. De exemplu, nu există un singur organ în corpul nostru care să nu fie adaptat gravitației.

Acesta este motivul pentru care este atât de neobișnuit și chiar periculos pentru o persoană să fie într-o stare de imponderabilitate pentru o perioadă lungă de timp: sângele este redistribuit în organism în așa fel încât să exercite o presiune excesivă asupra vaselor creierului, iar oasele peste. timpul refuză să absoarbă sărurile de calciu și devin fragile, ca stuf. Doar printr-o activitate fizică constantă o persoană se poate proteja parțial de efectele imponderabilității.

Câmpul gravitațional al Lunii afectează Pământul și locuitorii săi - toată lumea știe despre fluxul și refluxul mareelor. Din cauza forței centrifuge, Luna se îndepărtează de noi cu 4 cm pe an, iar intensitatea mareelor ​​scade inexorabil. În preistorie, Luna era mult mai aproape de Pământ și, în consecință, mareele erau semnificative. Poate că acesta a fost principalul factor care a predeterminat apariția organismelor vii pe uscat.

Chiar dacă încă nu știm ce particulă este responsabilă de gravitație, o putem măsura! În acest scop, se utilizează un dispozitiv special - gravimetru, cu care geologii lucrează activ în căutarea mineralelor.

În grosimea suprafeței pământului, rocile au densități diferite și, prin urmare, forța lor gravitațională va varia. În acest fel puteți identifica zăcăminte de hidrocarburi ușoare (petrol și gaz), precum și roci dense de minereuri metalice. Ei măsoară forța de atracție înregistrând cele mai mici modificări ale vitezei de cădere liberă a unui corp cu o masă cunoscută sau cursa unui pendul. În acest scop, au introdus chiar și o unitate de măsură specială - Gal (Gal) în onoare Galileo Galilei, care a fost primul din istorie care a determinat forța gravitației prin măsurarea traseului unui corp în cădere liberă.

Studiile pe termen lung ale forței gravitaționale a Pământului din spațiu au făcut posibilă crearea unei hărți a anomaliilor gravitaționale de pe planeta noastră. O creștere bruscă a gravitației pe o anumită porțiune de pământ poate fi un prevestitor al unui cutremur sau al unei erupții vulcanice.

Studiul interacțiunilor fundamentale doar câștigă amploare. Nu se poate spune cu certitudine că există doar patru forțe - ar putea fi cinci sau zece. Oamenii de știință încearcă să colecteze toate interacțiunile sub „acoperișul” unui model, dar crearea lui este încă atât de departe. Iar centrul de greutate principal devine un graviton ipotetic. Scepticii susțin că oamenii nu vor putea detecta niciodată această cuantă pentru că intensitatea sa este prea mică, dar optimiștii cred în viitorul tehnologiei și al metodelor fizice. Așteaptă și vezi.