Maailmankaikkeuden perusta
Mitä voimia tiedät? Painovoima, kierteiden kireys, jousipuristus, kehon törmäykset,
On syytä harkita, että nykyään neljän perustavanlaatuisen vuorovaikutuksen olemassaolo (Higgsin kenttää lukuun ottamatta) tiedetään luotettavasti:
Painovoima - gravitaatiovuorovaikutus
Painovoima on vetovoima kahden välilläesineitä, joilla on massaa tai energiaa. Jokainen on havainnut tämän perustavanlaatuisen vaikutuksen ja sen ansiosta ihminen voi istua, seistä tai makuulla. Gravitaatiovoima ilmenee kiven putoamisessa kalliolta; planeetan liike tähden ympärillä; vuorovedet, joista Kuu on vastuussa. Painovoima on perusvoimista intuitiivisin ja tutuin, mutta se ei ole helpoin selittää.
Isaac Newton oli ensimmäinen, joka ehdotti ideaapainovoima, oletettavasti puusta pudonneen omenan inspiraationa. Hän kuvaili sitä kirjaimelliseksi vetovoimaksi kahden esineen välillä. Vuosisatoja myöhemmin Albert Einstein ehdotti yleisessä suhteellisuusteoriassaan (GR), että painovoima ei ole vetovoima tai voima. Sen sijaan se on seurausta esineiden taipumisesta aika-avaruuteen. Suuri esine toimii aika-avaruuden kanssa samalla tavalla kuin paperiarkin keskelle asetettu iso pallo vaikuttaa kyseiseen materiaaliin, muuttaen sitä ja saattamalla arkin muita, pienempiä esineitä putoamaan keskelle.
Universaalin painovoiman laki
Vaikka painovoima pitää planeetat yhdessä,tähdet, aurinkokunnat ja jopa galaksit, se osoittautuu heikoimmaksi perusvoimista, erityisesti molekyyli- ja atomitasolla. Ajattele asiaa näin: kuinka vaikeaa on saada pallo pois maasta? Tai nosta jalkaasi? Tai hyppää? Kaikki nämä toimet vastustavat koko maapallon painovoimaa. Ja molekyyli- ja atomitasolla painovoimalla ei ole juuri mitään vaikutusta muihin perusvoimiin.
Heikko voima ja hiukkasten hajoaminen
Heikko voima tai heikko ydinvoima,on vastuussa hiukkasten hajoamisesta. Tämä on yhden tyyppisen subatomisen hiukkasen kirjaimellista muutosta toiseksi. Esimerkiksi neutronista poikkeava neutrino voi muuttaa neutronin protoniksi ja neutrinon elektroniksi.
Fyysikot kuvaavat tätä vuorovaikutusta vaihdon kauttabosonit. Nämä voimaa kuljettavat hiukkaset, nimittäin jotkin niiden tyypit, ovat vastuussa heikosta voimasta, sähkömagneettisesta voimasta ja voimakkaasta voimasta. Heikossa voimassa bosonit ovat varautuneita hiukkasia, joita kutsutaan W- ja Z-bosoneiksi. Kun subatomiset hiukkaset – protonit, neutronit ja elektronit – ovat 10–18 metrin (0,1 % protonin halkaisijasta) etäisyydellä toisistaan, ne voivat vaihtaa näitä bosoneja. Tämän seurauksena subatomiset hiukkaset hajoavat uusiksi hiukkasiksi.
Heikko kytkentä on kriittinenydinfuusioreaktiot. Ne antavat aurinkoa ja tuottavat energiaa, jota tarvitaan useimpiin elämän muotoihin täällä maan päällä. Muuten, tästä syystä arkeologit käyttävät hiili-14:ää määrittääkseen muinaisten luiden, puun ja muiden aiemmin eläneiden esineiden iän. Carbon-14:ssä on kuusi protonia ja kahdeksan neutronia. Yksi näistä neutroneista hajoaa protoniksi muodostaen typpi-14:n, jossa on seitsemän protonia ja seitsemän neutronia. Tämä hajoaminen tapahtuu ennustettavalla nopeudella, minkä ansiosta tutkijat voivat määrittää esineiden iän.
Sähkömagneettinen voima
Sähkömagneettinen voima (Lorentz-voima) vaikuttaavarattujen hiukkasten välillä - negatiivisesti varautuneet elektronit ja positiivisesti varautuneet protonit. Vastakkaiset maksut houkuttelevat toisiaan, kun taas samanlaiset lataukset hylkäävät. Mitä enemmän latausta, sitä enemmän virtaa. Ja kuten painovoima, tämä voima voidaan tuntea.
Kuten nimestä voi päätellä, sähkömagneettinen voimakoostuu kahdesta osasta: sähkövoimasta ja magneettisesta voimasta. Aluksi fyysikot kuvasivat näitä voimia erillään toisistaan, mutta myöhemmin tajusivat, että ne ovat yhden komponentteja.
Sähkökomponentti toimii välillävaratut hiukkaset muodostavat kentän riippumatta siitä, liikkuvatko vai eivät. Sen avulla maksut voivat vaikuttaa toisiinsa. Mutta heti kun ne alkavat liikkua, näillä varauksilla on myös toinen komponentti - magneettinen voima. Liikkuessaan he luovat magneettikentän ympärilleen. Siksi, kun elektronit tunkeutuvat lankaan esimerkiksi lataamaan tietokonetta tai puhelinta tai käynnistävät television, johto muuttuu magneettiseksi.
Sähkömagneettiset voimat siirtyvät välillävaratut hiukkaset vaihtamalla massattomia, voimaa kantavia bozoneja - fotoneja, jotka ovat myös valohiukkasia. Voimaa kantavat fotonit ovat kuitenkin toinen osoitus niistä. Knoxvillen Tennessee-yliopiston mukaan ne ovat virtuaalisia ja havaitsematta, vaikka teknisesti ne ovatkin samat hiukkaset kuin fotonien todellinen ja havaittavissa oleva versio.
Sähkömagneettinen voima on vastuussa joistakinyleisimmistä ilmiöistä: kitka, kimmoisuus, normaalivoima ja kiintoaineita yhdessä muodossa pitävä voima. Hän on jopa vastuussa esimerkiksi linnuille ja lentokoneille kohdistuvasta vastustuksesta. Tämä johtuu varautuneiden (tai neutraalien) hiukkasten vuorovaikutuksesta toistensa kanssa. Esimerkiksi normaali voima, joka pitää kirjaa pöydällä (sen sijaan, että painovoima vetää kirjaa maahan) on seurausta pöydän atomien elektroneista, jotka hylkivät kirjan atomien elektronit.
Vahva voima - biljoonia biljoonia biljoonia, painovoimaa vahvempi
Vahva ydinvoima tai vahva ydinvoimavuorovaikutus on voimakkain luonnon neljästä perusvoimasta. HyperPhysicsin mukaan tämä on 6000 biljoonaa biljoonaa biljoonaa (se on 39 nollaa 6: n jälkeen) kertaa painovoimaa vahvempi. Tämä johtuu siitä, että se sitoo aineen perushiukkaset yhteen muodostaen suurempia hiukkasia. Se pitää yhdessä kvarkit, jotka muodostavat protoneja ja neutroneja, ja osa vahvasta voimasta pitää yhdessä myös atomin ytimen protonit ja neutronit.
Kuin heikko voima, vahvavuorovaikutus toimii vain, kun subatomiset hiukkaset ovat hyvin lähellä toisiaan. Niiden tulisi olla jossakin 10-15 metrin etäisyydellä toisistaan (suunnilleen protonin halkaisijan sisällä).
Vahvaa vuorovaikutusta voidaan kuitenkin kutsua"outo". Tosiasia on, että toisin kuin muut perusvoimat, se heikkenee subatomisten hiukkasten lähestyessä toisiaan. Kuten Fermilab-tutkijat kirjoittavat, vahva vuorovaikutus saavuttaa suurimman "voimakkuutensa", kun hiukkaset ovat mahdollisimman kaukana toisistaan. Kun massattomat varautuneet bosonit – gluonit – ovat kantaman sisällä, välittävät voimakkaan voiman kvarkkien välillä ja pitävät ne "liimautuneena yhteen". Pieni murto-osa vahvasta voimasta - vahvasta jäännösvoimasta - vaikuttaa protonien ja neutronien välillä. Ytimen protonit hylkivät toisiaan samanlaisen varauksensa vuoksi, mutta voimakas jäännösvoima voi voittaa tämän prosessin. Tästä syystä hiukkaset pysyvät sitoutuneina atomin ytimessä.
Kaikkien suuri yhdistäminen ja teoria
Neljän perusvoiman ratkaisematon kysymys on, ovatko ne todella maailmankaikkeuden yhden suuren voiman ilmentymä.Jos näin on, jokaisen niistä pitäisi pystyä sulautumaan muihin, ja on jo näyttöä siitä, että he voivat.
Fyysikot Sheldon Glashow ja Steven WeinbergHarvardin yliopisto Abdus Salamin kanssa Imperial Collegen Lontoosta sai Nobelin fysiikkapalkinnon vuonna 1979 sähkömagneettisen voiman yhdistämisestä heikkoon voimaan käsittäen sähköheikon voiman. Suuryhdistämisen teorian luomisen parissa työskentelevät fyysikot pyrkivät yhdistämään sähköheikon vuorovaikutuksen vahvan kanssa määrittämään elektroni-ydin. Mallit ennustivat sen aiemmin, mutta sitä ei ole vielä havaittu. Palapelin viimeinen kappale edellyttäisi painovoiman yhdistämistä elektroni-ydinvoimaan, jotta voidaan kehittää teoria kaikesta - perusta, joka voisi selittää koko universumin.
Fyysikoiden oli kuitenkin vaikea yhdistäämikroskooppinen maailma makroskooppisen kanssa. Suuressa ja varsinkin tähtitieteellisessä mittakaavassa painovoima hallitsee ja kuvaa parhaiten Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria. Mutta molekyyli-, atomi- tai subatomisella tasolla kvanttimekaniikka kuvaa parhaiten luonnonmaailmaa. Ja toistaiseksi kukaan ei ole keksinyt hyvää tapaa tuoda nämä kaksi maailmaa yhteen.
Lue lisää
Ensimmäinen tarkka maailmankartta luotiin. Mitä vikaa kaikilla muilla on?
Uranus on saanut aurinkokunnan omituisimman planeetan tilan. Miksi?
NASA kertoi kuinka he toimittavat Marsin näytteitä maapallolle
Higgs-kenttä antaa spontaanin rikkomuksentyhjiösymmetrian rikkoutumisesta johtuva sähköheikan vuorovaikutuksen symmetria, joka on nimetty sen teorian kehittäjän, brittiläisen fyysikon Peter Higgsin mukaan. Tämän kentän kvantti on Higgsin partikkeli (Higgsin bosoni).
W- ja Z-bosonit - perushiukkaset,heikon vuorovaikutuksen kantajat. Niiden löytämistä pidetään yhtenä hiukkasfysiikan standardimallin suurimmista menestyksistä. W-partikkeli on nimetty vuorovaikutuksen nimen ensimmäisestä kirjaimesta - heikko vuorovaikutus
Hiili-14 on kemiallisen alkuaineen hiilen radioaktiivinen nuklidi, jonka atominumero on 6 ja massanumero 14.
Typpi-isotoopit ovat kemiallisten atomien lajikkeitaalkyylityppi, jolla on erilainen neutronipitoisuus ytimessä. Luonnollinen typpi koostuu kahdesta stabiilista isotoopista 14 N ja 14 N atomipitoisuuksilla vastaavasti 0,99636 ja 0,00364.
Neutraali hiukkanen on alkupartikkeli, eijolla on sähkövaraus. Neutraaleihin hiukkasiin kuuluvat esimerkiksi fotoni, neutroni, neutrino. Neutraaleilla hiukkasilla voi kuitenkin olla magneettinen momentti ja korkeamman moninapaisuuden sähkömomentit, esimerkiksi kvadrupolimomentti.
Normaalin reaktion voima on voima, joka vaikuttaarunko tuen sivulta ja kohtisuorassa kosketuspintaan nähden. Jaettu kosketusvyöhykkeen alueelle. Huomioon otettava kehon liikkeen dynamiikkaa analysoitaessa. Luvut Amonton-Coulomb -laissa.