Одне з найбільш інтригуючих питань у фізиці - чому в природі існує чотири фундаментальні сили? Не більше чи менше.
Мова йде про гравітацію, електромагнетизм, сильну та слабку ядерну взаємодію. Вони відповідають за взаємодією матерії та енергії на всіх рівнях - від субатомних частинок до галактик. Вони також визначають властивості та поведінку всіх відомих елементарних частинок - кварків, лептонів та бозонів.
Найслабша сила природи
Мало хто знає, але гравітація - найслабша з чотирьох сил, хоча має нескінченний діапазон дії. Вона притягує будь-які об'єкти, що мають масу або енергію. Вона також відповідає за формування і руху планет, зірок і галактик. І впливає на викривлення простору-часу, як це передбачено загальною теорією відносності Ейнштейна.
Електромагнетизм набагато сильніший за гравітацію, маючи нескінченний діапазон дії. Вона діє між електрично зарядженими частинками. Електромагнетизм відповідає за світло, тепло, електрику, магнетизм і хімічні реакції. Він також визначає структуру атомів і молекул.
Сильна взаємодія вважається найсильнішою з чотирьох сил, але діє на мікроскопічних відстаннях, зв'язуючи протони і нейтрони в атомні ядра. Разом із тим вона підтримує життєдіяльність зірок і виробляє більшість хімічних елементів у Всесвіті.
Слабка взаємодія — це той же електромагнетизм, який, щоправда, функціонує на атомарного рівні. Вона провокує деякі види радіоактивного розпаду та ядерного поділу.
Вважається, що слабка взаємодія відповідає за утворення нейтрино - невловимих частинок, які можуть проходити крізь речовину, не взаємодіючи з нею.
Всі чотири фундаментальні сили природи описуються різними теоріями, які були давно протестовані і підтверджені експериментами. Однак — і це головна методологічна проблема фізики як науки - ці теорії не сумісні одна з одною, особливо при дуже високих енергіях або дуже малих відстанях. Наприклад, квантова механіка і загальна теорія відносності по-різному трактують гравітацію і квантові ефекти. Відповідно, ми не можемо навіть теоретично припустити, що відбувалося на початку Всесвіту.
Багато фізиків намагалися знайти єдину теорію, яка могла б пояснити і об'єднати всі чотири фундаментальні сили в єдину структуру. Таку теорію часто називають “теорією всього”, теорією, що повністю розкриває фізичну природу реальності.
Серед кандидатів на таку теорію зазвичай називають теорію струн, петльову квантову гравітацію, каузальну динамічну тріангуляцію та асимптотичну безпеку. Однак жодна з них не була остаточно доведена або спростована експериментами чи спостереженнями.
Одним із можливих способів перевірки може стати відтворення умов раннього всесвіту. В мехах прискорювачів частинок, таких як Великий адронний колайдер у ЦЕРНі. Зштовхуючи частинки при дуже високих енергіях, фізики можуть досліджувати поведінку матерії і сил на дуже малих відстанях. Вони також можуть шукати нові частинки або явища, які можуть вказувати на нову фізику за межами стандартної моделі.
Інший спосіб перевірки - спостерігати космічні явища, які пов'язані з дуже високими енергіями або дуже великими відстанями. На допомогу вченим йдуть гравітаційні хвилі, космічне мікрохвильове фонове випромінювання, темна матерія, темна енергія, інфляція або сингулярності. Аналізуючи ці явища за допомогою телескопів і детекторів, фізики отримують інформацію про походження та еволюцію Всесвіту.
В той же час пошук єдиної теорії - це не лише питання написання математичних рівнянь. Це ще й пошук методологічних проблем. Наприклад:
Чотири фундаментальні сили природи — це довільна чи необхідна кількість? Вони, сили природи, існували завжди, змінились чи постійно змінюються? Як вони пов'язані з іншими особливостями природи, наприклад, розмірністю або симетрія? Чи можливі інші всесвіти з іншою кількістю сил?
Як говорив мій знайомий фізик з місцевого політеху, на ці питання краще не відповісти, бо вони можуть привести до нових знань. Тоді левева частина професорів покине свої кафедри.
Чому 4 фундаментальні сили мають саме такі діапазони?
Ще одне питання, яке спантеличує фізиків, - чому чотири фундаментальні сили мають саме такі діапазони. “Сила” вимірюється її константою зв'язку, яка визначає, наскільки міцно вона взаємодіє з матерією. Діапазон дії, таким чином, визначається масою її частинки-носія, яка опосередковує взаємодію між частинками речовини. Чим важча частинка-носій, тим менший діапазон дії сили.
- Гравітаційна сила має дуже малу константу зв'язку, що означає, що вона дуже слабка порівняно з іншими силами. Однак вона має нескінченний діапазон дії, оскільки її частинка-носій, гравітон, як і фонон, вважається безмасовою. Але так чи ні, - ми не знаємо. Гравітони, якщо вони є, ніхто не спостерігав.
Але гравітаційна сила пропорційна масі об'єктів, тобто вона стає значущою лише тоді, коли задіяні великі маси, планети або зірки.
- Електромагнітна сила має набагато більшу константу зв'язку, вона набагато сильніша і впливовіша у повсякденних явищах. Внаслідок того, що електромагнітна сила пропорційна електричному заряду об'єктів, вона притягує або відштовхує залежно від знаку заряду.
- Слабка сила, в свою чергу, слабша і менш помітна в повсякденних явищах. Радіус дії обумовлений масивністю частинок-носіїв - W- і Z-бозонів. Тому вона сконцентрована виключно на ядерних реакціях.
"Сильна" ядерна сила домінує на коротких відстанях. Вона залежить від інших частинок, глюонів, обмежених квантовою хромодинамікою. Але вони створюють те, що ми називаємо матеріальним світом.
Сила та діапазони — не випадкові; вони визначаються фундаментальними константами природи, які з'являються в їхніх математичних описах. Однак ці константи не виводяться з якоїсь глибшої теорії; вони вимірюються експериментально і беруться як вхідні дані в стандартну модель.
В той же же час фізики не знають, чому ці константи мають саме такі значення, і чи є вони постійними, або змінюються в часі або в просторі.
Деякі науковці припускають, що ці константи можуть залежати від інших факторів, на кшталт додаткових вимірів або прихованої симетрії. Дехто також припускає, що ці константи змінюються в різних регіонах мультивсесвіту, таким чином створюючи різні закони фізики.
