Четыре взаимодействия Вселенной

Наша Вселенная является такой благодаря фундаментальным силам, или, как говорят, фундаментальным взаимодействиям. На сегодня их известно четыре: сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное.

Гравитационное взаимодействие между Землей и Луной, точнее, притяжение Луны, вызывает приливы

Самое слабое из фундаментальных взаимодействий — гравитационное. Оно действует на массу и энергию и на больших масштабах определяет движение планет, звезд и галактик. В общей теории относительности гравитация описывается как искривление пространства-времени. В некоторых попытках квантового описания вводится гипотетический квант гравитационного поля — гравитон, однако экспериментально гравитоны не обнаружены, а гравитация не входит в Стандартную модель физики частиц.

Слабое ядерное взаимодействие называется так потому, что оно слабее электромагнитного и сильного ядерного. Слабое оно только в масштабах атомного ядра, а на самом деле в 10²⁵ раз сильнее гравитационного. Оно отвечает за процессы ядерного распада и действует на очень небольших расстояниях, в пределах атомного ядра — 10^-18 м. Слабое ядерное взаимодействие почти полностью универсально: в нем участвуют все частицы, кроме фотонов. Кроме того, есть частицы, которые участвуют только в слабом взаимодействии, — это некоторые виды нейтрино. Переносчиками слабого ядерного взаимодействия являются определенные виды элементарных частиц — бозонов. Описывается оно теорией электрослабого взаимодействия.

Нуклоны в атомных ядрах удерживаются вместе благодаря сильному взаимодействию. Слабое взаимодействие отвечает за распад атомного ядра

Сильное ядерное взаимодействие отвечает за связь между кварками и за притяжение между нуклонами (то есть протонами и нейтронами) в атомных ядрах. Таким образом, без сильного взаимодействия не существовало бы ни протонов, ни нейтронов, ни атомных ядер, а значит, и атомов, молекул, звезд, планет и самой жизни. Сильное ядерное взаимодействие сильнее гравитационного в 10³⁸ раз, а действует на том же расстоянии, что и слабое, — 10^-18 м, в пределах ядра. Переносчиками сильного ядерного взаимодействия являются глюоны: именно они помогают кваркам удерживаться вместе и составлять протоны. Описывается сильное взаимодействие квантовой хромодинамикой.

Спектр электромагнитного излучения в зависимости от длины волны

Электромагнитное взаимодействие происходит между частицами, обладающими электрическим зарядом. Благодаря ему существует притяжение между положительно заряженными ядрами атомов и отрицательно заряженными электронами. Иными словами, без этого взаимодействия атомов бы не существовало. Благодаря ему наша планета обладает магнитным полем и защищена от космического излучения. И, конечно, благодаря ему существуют электрический свет, телевидение, радио и другие полезные изобретения. Оно сильнее гравитационного в 10³⁶ раз. В отличие от сильного и слабого взаимодействия, электромагнитное — дальнодействующее. Его переносчиками являются фотоны. Описывается оно классической электродинамикой.

Давно предпринимаются попытки оформить все четыре взаимодействия в одной теории, но пока это не удалось. Три вида — электромагнитное, сильное и слабое — объединили в Стандартной модели, но для гравитационного используется отдельно теория относительности. Однако все еще впереди, и, вероятно, в обозримом будущем такая теория будет создана.

Спиральная туманность в созвездии Водолея. Наблюдение за ней оказалось возможно с помощью использования электромагнитных сил человеком

Существует ли пятое взаимодействие

Надежно установлены четыре фундаментальных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Хиггсовское поле необходимо для механизма масс в Стандартной модели, но обычно его не называют отдельным «пятым фундаментальным взаимодействием» в одном ряду с этими четырьмя силами.

Механизм действия бозона Хиггса