Τα θεμέλια του σύμπαντος
Ποιες δυνάμεις γνωρίζετε; Βαρύτητα, τάση νήματος, συμπίεση ελατηρίου, συγκρούσεις σώματος,
Αξίζει να ληφθεί υπόψη ότι σήμερα η ύπαρξη τεσσάρων θεμελιωδών αλληλεπιδράσεων (χωρίς να υπολογίζουμε το πεδίο Higgs) είναι αξιόπιστα γνωστή:
Βαρύτητα - βαρυτική αλληλεπίδραση
Η βαρύτητα είναι η έλξη μεταξύ δύοαντικείμενα που έχουν μάζα ή ενέργεια. Όλοι έχουν παρατηρήσει αυτή τη θεμελιώδη επιρροή και χάρη σε αυτήν ένα άτομο μπορεί να καθίσει, να σταθεί ή να ξαπλώσει. Η βαρυτική δύναμη εκδηλώνεται με την πτώση μιας πέτρας από έναν γκρεμό. η κίνηση του πλανήτη γύρω από το αστέρι. θαλάσσιες παλίρροιες, για τις οποίες ευθύνεται η Σελήνη. Η βαρύτητα είναι η πιο διαισθητική και οικεία από τις θεμελιώδεις δυνάμεις, αλλά δεν είναι και το πιο εύκολο να εξηγηθεί.
Ο Ισαάκ Νεύτων ήταν ο πρώτος που πρότεινε την ιδέαβαρύτητα, που υποτίθεται ότι εμπνέεται από ένα μήλο που πέφτει από ένα δέντρο. Το περιέγραψε ως κυριολεκτική έλξη μεταξύ δύο αντικειμένων. Αιώνες αργότερα, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν πρότεινε στη γενική θεωρία της σχετικότητας (GR) ότι η βαρύτητα δεν είναι έλξη ή δύναμη. Αντίθετα, είναι συνέπεια των αντικειμένων που λυγίζουν τον χωροχρόνο. Ένα μεγάλο αντικείμενο λειτουργεί με τον χωροχρόνο σχεδόν με τον ίδιο τρόπο που μια μεγάλη μπάλα που τοποθετείται στη μέση ενός φύλλου χαρτιού επηρεάζει αυτό το υλικό, παραμορφώνοντάς το και αναγκάζοντας άλλα, μικρότερα αντικείμενα στο φύλλο να πέσουν προς τη μέση.
Ο νόμος της καθολικής βαρύτητας
Αν και η βαρύτητα κρατά τους πλανήτες ενωμένους,αστέρια, ηλιακά συστήματα, ακόμη και γαλαξίες, αποδεικνύεται ότι είναι η πιο αδύναμη από τις θεμελιώδεις δυνάμεις, ειδικά σε μοριακό και ατομικό επίπεδο. Σκεφτείτε το ως εξής: πόσο δύσκολο είναι να βγάλετε την μπάλα από το έδαφος; Ή να σηκώσεις το πόδι σου; Ή άλμα; Όλες αυτές οι ενέργειες εξουδετερώνουν τη βαρύτητα ολόκληρης της Γης. Και σε μοριακό και ατομικό επίπεδο, η βαρύτητα δεν έχει σχεδόν καμία επίδραση σε άλλες θεμελιώδεις δυνάμεις.
Ασθενής δύναμη και διάσπαση σωματιδίων
Η αδύναμη ή αδύναμη πυρηνική δύναμη,ευθύνεται για τη διάσπαση των σωματιδίων. Αυτός είναι ο κυριολεκτικός μετασχηματισμός ενός τύπου υποατομικού σωματιδίου σε έναν άλλο. Για παράδειγμα, ένα νετρίνο που αποκλίνει από ένα νετρόνιο μπορεί να μετατρέψει ένα νετρόνιο σε πρωτόνιο και ένα νετρίνο σε ηλεκτρόνιο.
Οι φυσικοί περιγράφουν αυτή την αλληλεπίδραση μέσω μιας ανταλλαγήςμποζόνια. Αυτά τα σωματίδια που φέρουν δύναμη, συγκεκριμένα μερικοί από τους τύπους τους, είναι υπεύθυνα για την ασθενή δύναμη, την ηλεκτρομαγνητική δύναμη και την ισχυρή δύναμη. Στην ασθενή δύναμη, τα μποζόνια είναι φορτισμένα σωματίδια που ονομάζονται μποζόνια W και Z. Όταν τα υποατομικά σωματίδια -πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια- βρίσκονται σε απόσταση 10 έως 18 μέτρων (0,1% της διαμέτρου ενός πρωτονίου) το ένα από το άλλο, μπορούν να ανταλλάξουν αυτά τα μποζόνια. Ως αποτέλεσμα, τα υποατομικά σωματίδια διασπώνται σε νέα σωματίδια.
Η αδύναμη σύζευξη είναι κρίσιμη γιααντιδράσεις πυρηνικής σύντηξης. Είναι αυτά που τροφοδοτούν τον Ήλιο και παράγουν την ενέργεια που απαιτείται για τις περισσότερες μορφές ζωής εδώ στη Γη. Παρεμπιπτόντως, αυτός είναι ο λόγος που οι αρχαιολόγοι χρησιμοποιούν άνθρακα-14 για να προσδιορίσουν την ηλικία των αρχαίων οστών, του ξύλου και άλλων αντικειμένων που ζούσαν προηγουμένως. Ο άνθρακας-14 έχει έξι πρωτόνια και οκτώ νετρόνια. Ένα από αυτά τα νετρόνια διασπάται σε πρωτόνιο για να σχηματίσει άζωτο-14, το οποίο έχει επτά πρωτόνια και επτά νετρόνια. Αυτή η αποσύνθεση συμβαίνει με προβλέψιμο ρυθμό, που επιτρέπει στους επιστήμονες να προσδιορίσουν την ηλικία των αντικειμένων.
Ηλεκτρομαγνητική δύναμη
Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη (Lorentz force) δραμεταξύ φορτισμένων σωματιδίων - αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια και θετικά φορτισμένα πρωτόνια. Οι αντίθετες χρεώσεις προσελκύουν ο ένας τον άλλον, ενώ ταυτόσημες χρεώσεις αποκρούουν. Όσο περισσότερη φόρτιση, τόσο περισσότερη ισχύ. Και όπως η βαρύτητα, αυτή η δύναμη μπορεί να γίνει αισθητή.
Όπως υποδηλώνει το όνομα, ηλεκτρομαγνητική δύναμηαποτελείται από δύο μέρη: ηλεκτρική δύναμη και μαγνητική δύναμη. Στην αρχή, οι φυσικοί περιέγραψαν αυτές τις δυνάμεις ξεχωριστά μεταξύ τους, αλλά αργότερα συνειδητοποίησαν ότι αποτελούν συστατικά του ενός.
Το ηλεκτρικό εξάρτημα ενεργεί μεταξύφορτισμένα σωματίδια, ανεξάρτητα από το αν κινούνται ή όχι, δημιουργώντας ένα πεδίο. Με αυτό, οι χρεώσεις μπορούν να επηρεάσουν η μία την άλλη. Όμως, μόλις αρχίσουν να κινούνται, αυτά τα φορτισμένα σωματίδια εμφανίζουν επίσης το δεύτερο συστατικό - μαγνητική δύναμη. Όταν κινούνται, δημιουργούν ένα μαγνητικό πεδίο γύρω τους. Επομένως, όταν τα ηλεκτρόνια διεισδύουν στο καλώδιο, για παράδειγμα, φορτίζουν έναν υπολογιστή ή τηλέφωνο ή ενεργοποιούν μια τηλεόραση, το καλώδιο γίνεται μαγνητικό.
Οι ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις μεταδίδονται μεταξύ τουςφορτισμένα σωματίδια μέσω της ανταλλαγής αζώτου, φέροντος μποζόνια - φωτονίων, τα οποία είναι επίσης σωματίδια φωτός. Ωστόσο, η φέρουσα δύναμη των φωτονίων είναι μια άλλη εκδήλωση αυτών. Σύμφωνα με το Πανεπιστήμιο του Τενεσί στο Knoxville, είναι εικονικά και μη ανιχνεύσιμα, αν και, τεχνικά, είναι τα ίδια σωματίδια με την πραγματική και ανιχνεύσιμη έκδοση των φωτονίων.
Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη είναι υπεύθυνη για ορισμένουςαπό τα πιο κοινά φαινόμενα: τριβή, ελαστικότητα, κανονική δύναμη και η δύναμη που συγκρατεί τα στερεά μαζί σε ένα δεδομένο σχήμα. Είναι ακόμη υπεύθυνη για την αντίσταση που αντιμετωπίζουν τα πουλιά και τα αεροπλάνα, για παράδειγμα. Αυτό οφείλεται στην αλληλεπίδραση φορτισμένων (ή ουδέτερων) σωματιδίων μεταξύ τους. Για παράδειγμα, η κανονική δύναμη που κρατά ένα βιβλίο πάνω σε ένα τραπέζι (αντί της βαρύτητας που τραβά το βιβλίο στο έδαφος) είναι συνέπεια των ηλεκτρονίων στα άτομα του πίνακα που απωθούν τα ηλεκτρόνια στα άτομα του βιβλίου.
Ισχυρή δύναμη - τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια ισχυρότερα από τη βαρύτητα
Ισχυρή πυρηνική δύναμη ή ισχυρή πυρηνικήΗ αλληλεπίδραση είναι η πιο ισχυρή από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης. Σύμφωνα με την HyperPhysics, αυτό είναι 6 χιλιάδες τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια (δηλαδή 39 μηδενικά μετά από 6) φορές ισχυρότερο από τη βαρύτητα. Αυτό συμβαίνει επειδή συνδέει θεμελιώδη σωματίδια της ύλης μαζί για να σχηματίσει μεγαλύτερα σωματίδια. Κρατά μαζί τα κουάρκ που αποτελούν πρωτόνια και νετρόνια, και μέρος της ισχυρής δύναμης συγκρατεί επίσης τα πρωτόνια και τα νετρόνια του ατομικού πυρήνα.
Όπως μια αδύναμη δύναμη, μια ισχυρήΗ αλληλεπίδραση λειτουργεί μόνο όταν τα υποατομικά σωματίδια είναι πολύ κοντά το ένα στο άλλο. Πρέπει να βρίσκονται κάπου 10-15 μέτρα μεταξύ τους (περίπου στη διάμετρο ενός πρωτονίου).
Ωστόσο, η ισχυρή αλληλεπίδραση μπορεί να ονομαστεί"παράξενος". Το γεγονός είναι ότι, σε αντίθεση με άλλες θεμελιώδεις δυνάμεις, γίνεται πιο αδύναμη καθώς τα υποατομικά σωματίδια πλησιάζουν το ένα το άλλο. Όπως γράφουν οι ερευνητές του Fermilab, η ισχυρή αλληλεπίδραση φτάνει στη μέγιστη «δύναμή» της όταν τα σωματίδια είναι όσο το δυνατόν πιο μακριά μεταξύ τους. Μόλις βρίσκονται εντός της εμβέλειας, τα φορτισμένα μποζόνια χωρίς μάζα -γλουόνια- μεταδίδουν την ισχυρή δύναμη μεταξύ των κουάρκ και τα κρατούν «κολλημένα μεταξύ τους». Ένα μικρό κλάσμα της ισχυρής δύναμης - η υπολειπόμενη ισχυρή δύναμη - δρα μεταξύ πρωτονίων και νετρονίων. Τα πρωτόνια στον πυρήνα απωθούν το ένα το άλλο λόγω του παρόμοιου φορτίου τους, αλλά μια υπολειπόμενη ισχυρή δύναμη μπορεί να υπερνικήσει αυτή τη διαδικασία. Αυτός είναι ο λόγος που τα σωματίδια παραμένουν συνδεδεμένα μεταξύ τους στον πυρήνα ενός ατόμου.
Η μεγάλη ενοποίηση και η θεωρία των πάντων
Το άλυτο ζήτημα των τεσσάρωνθεμελιώδεις δυνάμεις είναι αν είναι πραγματικά μια εκδήλωση της μίας μεγάλης δύναμης στο σύμπαν. Εάν συμβαίνει αυτό, καθένας από αυτούς θα πρέπει να μπορεί να συγχωνευθεί με τους άλλους και υπάρχουν ήδη στοιχεία ότι μπορούν.
Οι φυσικοί Sheldon Glashow και Steven Weinberg ofΤο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ με τον Abdus Salam του Imperial College του Λονδίνου έλαβε το βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1979 για το συνδυασμό ηλεκτρομαγνητικής δύναμης με αδύναμη δύναμη για να διαμορφώσει την έννοια της δύναμης της ηλεκτροπαραγωγής. Οι φυσικοί που εργάζονται για τη δημιουργία της θεωρίας της Μεγάλης Ενοποίησης επιδιώκουν να συνδυάσουν την αλληλεπίδραση της ηλεκτρικής φωνής με την ισχυρή για να προσδιορίσουν την ηλεκτρονική-πυρηνική. Προβλέπεται προηγουμένως από μοντέλα, αλλά δεν έχει παρατηρηθεί ακόμη. Το τελευταίο κομμάτι του παζλ θα απαιτούσε το συνδυασμό της βαρύτητας με την ηλεκτρονική-πυρηνική δύναμη για να αναπτύξει μια θεωρία για τα πάντα - το θεμέλιο που θα μπορούσε να εξηγήσει ολόκληρο το σύμπαν.
Ωστόσο, οι φυσικοί δυσκολεύτηκαν να συνδυαστούνμικροσκοπικός κόσμος με μακροσκοπική. Σε μεγάλη και ιδιαίτερα αστρονομική κλίμακα, η βαρύτητα κυριαρχεί και περιγράφεται καλύτερα από τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν. Αλλά σε μοριακό, ατομικό ή υποατομικό επίπεδο, η κβαντική μηχανική περιγράφει καλύτερα τον φυσικό κόσμο. Και, μέχρι τώρα, κανείς δεν έχει βρει έναν καλό τρόπο για να ενώσει αυτούς τους δύο κόσμους.
Διαβάστε περισσότερα
Δημιουργήθηκε ο πρώτος ακριβής χάρτης του κόσμου. Τι συμβαίνει με όλους τους άλλους;
Ο Ουρανός έχει λάβει την κατάσταση του πιο παράξενου πλανήτη στο ηλιακό σύστημα. Γιατί;
Η NASA είπε πώς θα παραδώσει δείγματα του Άρη στη Γη
Το πεδίο Higgs παρέχει αυθόρμητη παραβίασηΣυμμετρία των αλληλεπιδράσεων με ηλεκτρόδια λόγω της διακοπής της συμμετρίας κενού, που πήρε το όνομά της από τον δημιουργό της θεωρίας της, τον Βρετανό φυσικό Peter Higgs. Το κβαντικό αυτού του πεδίου είναι το σωματίδιο Higgs (το μποζόνιο Higgs).
W- και Z-μποζόνια - θεμελιώδη σωματίδια,φορείς αδύναμης αλληλεπίδρασης. Η ανακάλυψή τους θεωρείται μία από τις μεγαλύτερες επιτυχίες του Πρότυπου Μοντέλου της φυσικής των σωματιδίων. Το σωματίδιο W ονομάζεται από το πρώτο γράμμα του ονόματος αλληλεπίδρασης - αδύναμη αλληλεπίδραση
Ο άνθρακας-14 είναι ένα ραδιενεργό νουκλίδιο του χημικού στοιχείου άνθρακα με ατομικό αριθμό 6 και αριθμό μάζας 14.
Τα ισότοπα αζώτου είναι ποικιλίες χημικών ατόμωνστοιχείο αζώτου, με διαφορετική περιεκτικότητα νετρονίων στον πυρήνα. Το φυσικό άζωτο αποτελείται από δύο σταθερά ισότοπα ¹⁴N και ¹⁵N με ατομικές συγκεντρώσεις 0,99636 και 0,00364, αντίστοιχα.
Ένα ουδέτερο σωματίδιο είναι ένα στοιχειώδες σωματίδιο, όχιέχοντας ηλεκτρικό φορτίο. Τα ουδέτερα σωματίδια περιλαμβάνουν, για παράδειγμα, ένα φωτόνιο, ένα νετρόνιο, ένα νετρίνο. Τα ουδέτερα σωματίδια μπορούν, ωστόσο, να έχουν μαγνητική ροπή και ηλεκτρικές ροπές υψηλότερης πολυπολικότητας, για παράδειγμα, τετραπολική ροπή.
Η δύναμη μιας κανονικής αντίδρασης είναι μια δύναμη που ενεργείτο σώμα από την πλευρά του στηρίγματος και κατευθύνεται κάθετα στην επιφάνεια επαφής. Διανέμεται στην περιοχή της ζώνης επαφής. Πρέπει να ληφθεί υπόψη κατά την ανάλυση της δυναμικής της κίνησης του σώματος. Φιγούρες στο νόμο Amonton-Coulomb.