Четыре фундаментальные силы природы: происхождение и функции

• Зарегистрируйтесь для БЕСПЛАТНОЙ пробной версии The Great Courses Plus здесь: http://ow.ly/gCuO30qWCEZ. Если взять блокнот, пластиковую бутылку, тостер и стеклянную емкость и сжечь их в огне, достаточно горячем, около 10^31 градусов Цельсия, все частицы и силы сойдутся в одно целое. Считается, что именно это существовало в момент Большого взрыва. Дополнительное видео:    • Why & How do the 4 fundamental forces of n...   Вся материя состоит из 6 кварков и 6 лептонов и их 12 пар античастиц. Но материя подчиняется 4 фундаментальным силам, которые приводят к каждому действию во Вселенной. Эти 4 силы — сильное взаимодействие, которое связывает ядра атомов, слабое взаимодействие, ответственное за некоторые виды радиоактивности, электромагнетизм, ответственный за основную причину химических процессов, и гравитация, которая привязывает нас к Земле. Лучший способ понять это и то, как возникли эти силы, — представить себе, что произошло во время Большого взрыва, когда всё было единым целым. Время началось с самого малого момента — планковского времени, 10⁻⁴³ секунд. Мы ничего не знаем о том, что могло произойти до этой первой эпохи существования, называемой планковской эпохой. Все силы и частицы находились в точке размером меньше протона. Гравитация отделилась от всего остального, поскольку это была первая сила, отделившаяся от трёх других сил. Температура на этом этапе составляла 10³¹ градусов Цельсия, а энергия — около 10¹⁹ гигаэлектронвольт. Здесь же возникли струны теории струн и петли петлевой квантовой гравитации, если эти теории верны. Следующая эра, называемая эпохой Великого Объединения, длится от первой планковской секунды до примерно 10⁻³⁵ секунд. Сильное и слабое взаимодействие, а также электромагнетизм были объединены. Но вскоре после этого периода сильное взаимодействие отделилось от двух других — электромагнетизма и слабого взаимодействия, которые объединились в одно взаимодействие, называемое электрослабым взаимодействием. Температура теперь составляла около 10²⁶ градусов Цельсия. Произошла космическая инфляция. Вселенная уменьшилась с размера меньше протона до размера грейпфрута. В 10⁻¹² секунд, в так называемую кварковую эпоху, электрослабое взаимодействие разделилось на слабое взаимодействие и электромагнетизм. Таким образом, в этот момент все четыре взаимодействия стали отдельными. Температура Вселенной снизилась до 10¹⁵ градусов Цельсия, а энергия составляет около 100 ГэВ. Мы многое знаем о Вселенной до этой эпохи, потому что такие уровни энергии можно моделировать в ускорителях частиц. На этом этапе существует поле Хиггса. Это приводит нас к сегодняшнему дню, 13,8 миллиардам лет спустя, когда средняя температура Вселенной составляет -270 градусов Цельсия, а энергия равна 0,25 эВ. Гравитация и электромагнетизм похожи тем, что их математические формулы выглядят почти идентично. Закон всемирного тяготения Ньютона: F = G Mm/r², где G — гравитационная постоянная Ньютона. Закон Кулона об электрической силе между заряженными телами: F = k Qq/r², где k — постоянная Кулона. Это означает, что Земля оказывает гравитационное воздействие не только на Луну, но и на каждый другой массивный объект во Вселенной. Это очень малое воздействие, но оно не равно нулю. А поскольку гравитация воздействует на все массы, это воздействие является наиболее влиятельной силой в космическом масштабе. Но электростатическая сила между зарядами также распространяется на бесконечно большие расстояния. И эта сила намного больше силы гравитации — в 10³⁶ раз больше. Так почему же электромагнетизм не является самой доминирующей силой во Вселенной? ...потому что в больших масштабах электрические заряды большинства объектов, как правило, взаимно компенсируются. Крупные объекты, как правило, нейтральны. Если бы крупные объекты не были электрически нейтральными, эта сила полностью доминировала бы во Вселенной. Но электромагнетизм всё же оказывает большое влияние. Он лежит в основе всей химии. Итак, если электромагнетизм настолько силен, то что же удерживает множество протонов в ядре атомов? Они удерживаются вместе силой, в сто раз большей, — сильным ядерным взаимодействием. Однако оно распространяется только на расстояние, равное ширине протона. Эта сила не является просто противоположностью электромагнетизма, поскольку она также удерживает электрически нейтральные атомы в центре атомов. Высвобождение этой силы — это энергия, лежащая в основе ядерных бомб. Деление и слияние атомов высвобождают огромное количество энергии связи из ядра, что является результатом сильного взаимодействия. Оно также отвечает за большую часть массы любого объекта, а не поле Хиггса. #четырефундаментальныесилы Слабое взаимодействие отвечает за бета-излучение, то есть испускание электронов или позитронов. Один из важнейших процессов в природе — бета-распад нейтрона. Если бы этого распада не было, то Вселенная была бы полна нейтронов, и атомы никогда бы не образовались. И у нас не было бы жизни. Но его эффективная длина составляет лишь около одной тысячной диаметра протона.