Фундаментальные взаимодействия – то, на чём держится Вселенная (относительно просто)
Наверняка любой человек задавался вопросами: какие же силы управляют всей Вселенной? Какие процессы поддерживают жизнь и всё, что существует вокруг нас? Что движет всеми нами, к чему мы так привыкли и чего совершенно не замечаем?
Мы знаем, что всё в мире взаимосвязано, начиная от элементарных частиц и заканчивая такими огромными и сложными системами, как, например, галактики, да и они – ещё не предел всему.
Везде, чуть ли не каждый день, мы слышим слово «сила» в самых разных его значениях: сила духа, сила воли, сила характера; сила трения, сила упругости, сила притяжения, но ни одна из приведённых примеров не является фундаментальной – первичной силой, на которой строится всё остальное. Например, сила трения – это вторичная сила, основанная на молекулярном взаимодействии. Следовательно, нужно смотреть глубже и «копать» до самых частиц и даже ещё дальше.
Итак, фундаментальные взаимодействия – это качественно различающиеся типы взаимодействия элементарных частиц и составленных из них тел. Фундаментальные взаимодействия вместе с их переносчиками – элементарными частицами являются основой основ всего сущего. Они определяют то, из чего мы состоим и всё нас окружающее, и почему весь мир до сих пор не рассыпался на части.
Любое взаимодействие между телами происходит благодаря обмену элементарными частицами.
Разберём каждое из взаимодействий.
Гравитационное взаимодействие – это самое слабое из всех четырёх видов и является универсальным между всеми материальными телами. Нет таких объектов, на которых гравитация не оказывала бы никакого влияния.
Гравитационное взаимодействие проявляется во взаимном притяжении всех тел Вселенной друг к другу.
Как говорится, всё большое начинается с малого, и именно гравитация (явление, из-за которого все объекты, имеющие массу, притягиваются друг к другу) является не только причиной существования Земли, но и она же ответственна за существование вообще всего, что мы видим. Если бы не было силы притяжения, то вещество не собралось бы в более массивные объекты по типу звезд и планет. Гравитационное притяжение всегда приводит к притяжению тел и является дальнодействующим.
Переносчиками гравитационного взаимодействия являются кванты гравитационного поля – гравитоны.
И хотя гравитация является слабейшей силой, она, тем не менее, носит глобальный характер и отвечает за все: за притяжение тел к поверхности Земли, за орбиты планет, за существование галактик, черных дыр и даже за расширение Вселенной.
Источник
КАКОВА РОЛЬ ГРАВИТАЦИИ ВО ВСЕЛЕННОЙ
Автор Илья ГУЛЬКАРОВ, доктор физ.-мат. наук, профессор
Хорошо известно, что нашей Вселенной управляет закон, согласно которому все тела природы притягиваются друг к другу. Английский учёный И. Ньютон ещё в 1687 г., анализируя движение Луны вокруг Земли, нашёл простую формулу, которая позволяет рассчитать силу притяжения между двумя телами. Эта сила прямо пропорциональна произведению масс этих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Этот закон называется универсальным законом гравитации. Гравитация действует на расстоянии, через пространство и является господствующей силой внутри Вселенной. Ничто во Вселенной не может избежать гравитации. Гравитация не позволяет Вселенной развалиться на части.
Если вы хотите найти силу притяжения вашего тела Землёй, вы должны найти произведение масс Земли и вашего тела и разделить результат на квадрат расстояния между вами и центром Земли, которое равно около R=6400 км. Умножив полученный результат на так называемую гравитационную постоянную (эта постоянная была измерена спустя 110 лет после опубликования Ньютоном закона гравитации), вы найдёте силу тяжести, которая является вашим весом. Таким образом, причина, почему вы обладаете весом, связана с гравитационным притяжением Земли. Вы можете найти также ваш вес, если умножите массу вашего тела на ускорение свободного падения, которое в случае нашей планеты равно около 10 м в секунду за секунду. Ваш вес на Луне будет в 6 раз меньше вашего веса на Земле, потому что масса и размер Луны отличаются от земных. На Юпитере вы станете почти в 3 раза тяжелее, чем на Земле. Ваш вес на любой планете зависит от размера планеты и её массы. Причина, почему ваше притяжение, например к Солнцу, чрезвычайно мало, связана с гигантским расстоянием между вами и Солнцем. Если вы будете удаляться от Земли, ваш вес будет уменьшаться. На расстоянии равном радиусу Земли от её поверхности (т.е. на расстоянии r = 2R до центра Земли), ваш вес, т.е. сила притяжения, уменьшится в 4 раза, на расстоянии 2R, т.е. r = 3R, ваш вес уменьшится в 9 раз и т.д. Чтобы полностью «потерять свой вес», вам нужно удалиться на очень большое расстояние от Земли, теоретически в бесконечность. Никакого пространства за пределами Вселенной нет.
Закон гравитации является самым важным, фундаментальным законом природы, величайшим обобщением, достигнутым человеческим разумом. Этот закон (вместе с законами Кеплера) позволяет определить многие характеристики небесных тел — массы планет, звёзд, галактик и даже чёрных дыр.
Закон гравитации позволяет с большой точностью рассчитать орбиты планет и создать математическую модель Вселенной. С помощью закона гравитации можно также рассчитать космические скорости (an escape velocity). Например, чтобы покинуть Землю, т.е. освободиться от притяжения Земли, вам нужна скорость 11.2 км/сек, Солнце — 618 км/сек, чёрную дыру — 300,000 км/сек. В отсутствие сил гравитации наша Вселенная была бы просто невозможна, т.е. она не могла бы даже возникнуть. Видимо, гравитация является свойством пространства-времени или одной из форм материи. Именно гравитация ответственна за многие процессы во Вселенной – её рождение, существование порядка вместо хаоса. Этот порядок привёл к образованию из высвободившейся энергии элементарных частиц, звёзд, галактик и системе живых структур. Этот закон объясняет, почему, например, Луна вращается вокруг Земли, а Земля вокруг Солнца, Солнце вращается вокруг центра Галактики. Сама Галактика в свою очередь движется по отношению к другим галактикам, а Вселенная расширяется (разбегание галактик) и это расширение длится почти 14 миллиардов лет с момента рождения Вселенной, Big Bang. Упорядоченное движение всех тел в природе связано с силами гравитации.
Энергия Вселенной, связанная с её массой, положительна и может быть рассчитана с помощью известной зависимости между массой и энергией (формула Эйнштейна, Е = Мc^2, где с – скорость света, а М масса Вселенной). Любопытно, что положительная энергия взрыва в точности равна отрицательной энергии гравитационного взаимодействия всех тел внутри нашей Вселенной. Другими словами, полная энергия нашей Вселенной равна нулю. Это означает, что наша Вселенная возникла из ничего и представляет собой «бесплатный ланч». Вы можете легко рассчитать гравитационную энергию, воспользовавшись формулой для гравитационной потенциальной энергии, которая отрицательна (энергия притяжения). Например, энергия гравитационного притяжения между вами и Землёй равна около — 4 миллиардов джоулей, если ваша масса равна 60 кг. Такая энергия понадобится, чтобы удалить вас с поверхности Земли в бесконечность. Ваша энергия притяжения к Юпитеру будет в 400 раз меньше земного, вследствие огромного расстояния между вами и Юпитером. На поверхности же Юпитера эта энергия будет в 28 раз больше земной. Т.о. наше пространство – это огромное вместилище отрицательной энергии, которая связана с притяжением тел.
Согласно современным физическим теориям (например, М – теория или теория суперструн) наша Вселенная не единственная и очень многие миры, как и наша Вселенная, были созданы из ничего. Такие вселенные — пузыри могут возникать и исчезать за пределами нашей Вселенной (multiverses), но они недоступны для нашего обозрения. Это связано с невозможностью существования скоростей, больших скорости света. Создание этих миров не требует вмешательства извне, и их возникновение является лишь следствием физических законов.
Существование этих законов и фундаментальных постоянных связано с внутренней структурой и геометрией Вселенной. В других вселенных эти законы и постоянные (например, скорость света) будут другими. Живые системы, если они там существуют, также могут отличаться от земных и будут нам недоступны. Законы природы запустили процесс, приведший, в конечном счете, к возникновению Вселенной. Согласно Фридману, при определённых условиях Вселенная со всеми её галактиками и звёздами может развиться из точки. В момент Big Bang размер нашей будущей Вселенной был меньше размера элементарной частицы, а плотность практически бесконечной.
Естественно возникает вопрос, а почему сила притяжения присутствует во Вселенной, когда и как она появилась, имеются ли также силы отталкивания, антигравитация и т.д. Согласно общей теории относительности Эйнштейна (ОТО), пространство и время связаны между собой и не могут существовать отдельно, образуя четырёхмерное пространство. Они возникли спонтанно в момент образования Вселенной. До Big Bang не было ни пространства, ни времени и они исчезнут в тот момент, когда исчезнет наша Вселенная. То же относится и к гравитации, т.е. силы гравитации, которые являются проявлением свойств пространства и времени, возникли в момент Big Bang. Если вы приближаетесь к массивному телу, то пространство и время искажены вблизи этого тела вследствие гравитации. Это искажение тем больше, чем больше масса тела. Вблизи чёрной дыры пространство и время искажены настолько, что внутри чёрной дыры время исчезает и там вместо четырёхмерного пространства-времени имеется только трёхмерное пространство. Находясь внутри чёрной дыры, вы бы никогда не состарились и это единственный способ прожить бесконечно долго. Другой способ остановить время – это двигаться со скоростью света. Нашу Вселенную в момент взрыва можно себе представить как весьма плотную чёрную мини дыру, в которой время отсутствовало. Такие чёрные мини дыры – это остатки после взрыва массивных звёзд. Время возникло сразу же после взрыва, т.е. до Big Bang время просто отсутствовало и «творец» не мог создать Вселенную, находясь вне времени. Наличие сил гравитации и связанной с этими силами энергии взаимодействия тел объясняет, откуда взялась гигантская энергия, которая в последующем step by step стала причиной образования галактик, звёзд, планет, частиц, жизни и т.д. Напомню, что во Вселенной имеется 100 миллиардов галактик и каждая из них содержит порядка 100 миллиардов звёзд. Умножив эти два числа, вы найдёте полное число звёзд во Вселенной. Чтобы вообразить число звёзд во Вселенной, обычно это число сравнивают с числом песчинок на всех пляжах Земли. Если предположить, что масса звезды равна массе Солнца, то можно легко найти массу Вселенной, а следовательно, и её полную энергию, используя связь массы и энергии. Как уже упоминалось, эта энергия положительна и в точности равна отрицательной энергии гравитационного взаимодействия всех тел внутри Вселенной. В момент Big Bang ингредиентами Вселенной были только материя (или масса и связанная с ней энергия) и пространство. Всё остальное появилось потом. Например, жизнь на Земле возникла около 4 миллиардов лет назад, т.е. примерно через 10 миллиардов лет после Big Bang.
Другой интересный вопрос связан с разбеганием галактик. Почему они удаляются друг от друга, несмотря на притяжение, т.е. почему они разбегаются, а не коллапсируют. Это связано с наличием во Вселенной наряду с веществом (4%) так называемой тёмной материи (22%) и загадочной тёмной энергии (74%). Последняя связана с силами отталкивания. Эти силы не только препятствуют коллапсу нашей Вселенной (Big Crunch), но и объясняют разбегание галактик и даже ускорение нашей Вселенной, т.к. количество тёмной энергии превышает количество обычного вещества и тёмной материи. Астрофизики, изучающие Вселенную, нашли много доказательств наличия в ней тёмной материи, например, открытие гравитационных линз, хотя ситуация с тёмной энергией (другое название силы отталкивания) не совсем ясна. В связи с тем, что расширение Вселенной происходит с ускорением, её конечная судьба легко предсказуема: её плотность и абсолютная температура будут стремиться к нулю (напомню, что 0°К = -273°С), и она погибнет. Правда, произойдёт это нескоро.
Вернёмся, однако, к силам гравитации. Благодаря этим силам и другим физическим законам, Вселенная не могла возникнуть из хаоса. Она развивается по объективным законам природы. Известный английский физик Хокинг утверждает, что бог не создавал Вселенную, она возникла благодаря физическим законам, которые управляют Вселенной. Это совпадает с взглядами Эйнштейна и Спинозы, а также с высказыванием Лапласа: «Я в этой гипотезе не нуждаюсь». Сегодня мы знаем, как это всё произошло, хотя есть много явлений, которые требуют дальнейших исследований (как, например, природа тёмной энергии, гравитационные волны или почему Вселенная ускоряется). Причиной взрыва и образования Вселенной являются квантовые эффекты, согласно которым всегда имеется ненулевая вероятность запуска процессов, в итоге сформировавших нашу Вселенную.
В заключение подчеркнём, что в общей теории относительности Эйнштейна, которая является современной релятивистской теорией гравитации, природа гравитации рассматривается как чисто геометрическая, т.е. пространственно-временная, а сама гравитация как проявление свойств пространства-времени. Она связана с кривизной пространства-времени. Искривляется не только пространство, но и время (например, замедление хода часов вблизи чёрных дыр). Сегодня имеются и другие подходы для объяснения природы гравитации. Возможно также, что гравитация является формой материи, а гравитационное поле формой существования материи. Эти и другие проблемы гравитации сегодня интенсивно обсуждаются учёными. Нужны эксперименты с поисками гравитационных волн и гравитонов, т.е. квантов гравитационного поля, которые позволят выяснить природу гравитации, т.е. она пространственно-временная или же является одной из форм материи.
Источник
Что Будет, Если Гравитация Исчезнет?
Сегодня мы говорим о гравитации, точнее об ее отсутствие . Гравитация — это силы притяжения между абсолютно любыми телами, и, хотя она ощутимо только на планетарных масштабах, все притягиваются друг другу : звезды, астероида, авианосцы, кошки, пылесосы, облака, мороженое.
Давайте пофантазируем, и представим, что будет, если гравитация мгновенно исчезнет во всей вселенной?
Конечно же, в первые моменты мы почувствуем невероятную легкость и невесомость, и, оттолкнувшись от Земли, сможем улететь по прямой в любом направлении . Но конечно же обратно на Землю мы не упадём , поэтому зависнем в воздухе.
Но это не самое страшное , ведь при отсутствии гравитации остановятся реки , перестанут идти дожди , исчезнут приливы , гидроэлектростанции не смогут нормально работать. Вы только представьте, сколько паники и ужаса возникнет. Это же апокалипсис!
Самое печальное , что атмосфера больше не будет притягиваться к Земле и начнет рассеиваться в открытый космос, и уже буквально через несколько дней наша планета будет безжизненна из-за низкого содержания кислорода, и огромной солнечной радиации, которая до этого задерживалась озоновом слое.
Атмосферное давление будет понижаться и вместе с этим будет опускаться температура кипения воды, соответственно в какой-то момент, все океаны начнут бурлить и превращаться в пар.
И не стоит забывать о том, что Земля вращается, поэтому центробежная сила будет стремиться вытолкнуть наружу все , что плохо держится: атмосферу, самолеты, океаны, корабли, люди, камни, бегемоты будут удаляться от земли. Конечно же, это ускорение очень слабенькое , и сейчас мы его даже не ощущаем, но при отсутствии гравитации она будет давать такой небольшой эффект.
А что мы все о Земле да о Земле. Давайте представим, что произойдет во всей Солнечной системе?
Как только гравитация исчезнет, вся планета перестанут притягиваться к Солнцу и продолжат свое движение по прямой. Причем чем дальше планета находится от Солнца, тем меньше у неё скорость орбитального движения. Поэтому, чисто теоретически, Земля может догнать Марс, Юпитер и так далее. Но конечно же Земля догонит и пересечет пояс астероидов, правда расстояние между объектами в нем настолько огромные, что вероятность встретиться с каким-нибудь из них ну очень маленькая.
И самое главное вот что, не хотел вас расстраивать самого начала, но скорее всего при отсутствии гравитации Земля взорвется.
Дело в том, что внутри Земли вещества мантии и ядра находится под очень-очень большим давлением. Оно возникает из-за тяжести вышележащих слоев, которые гравитационно притягиваются к центру. Как раз-таки под действием этого давления вещество очень сильно сжимается. Представьте, если гравитация исчезнет , то и давление тоже не будет, и внутренности Земли начнут расширяться . Это приведет к одновременному извержению всех вулканов , и разрыву между тектоническими плитами . Правда мантия достаточно вязка, поэтому это будет больше не взрыв, а плавное расширение с отлетающими кусками Земли во все стороны.
Да уж, вот это действительно апокалипсис!
Тоже самое будет происходить и на Солнце , только там это будет иметь действительно взрывной характер. Наше светило представляет из себя огромный газовый шар, внешние слои которого гравитационно притягиваются к центру, и словно корсет пытаются сжать его. Противовес этому — термоядерной реакции в ядре распирают его наружу. Про это я подробнее рассказывал в статье «Что такое черная дыра?»(ссылка в конце статьи)
Возникает баланс сил, благодаря которому Солнце сохраняет стабильный размер, и если гравитация исчезнет , то баланс нарушится, и Солнце начнет с невероятной скоростью расширяться. Это приведет к колоссальному взрыву, от которого можно мгновенно ослепнуть.
Но по мере расширения Солнца, оно будет остывать и в какой-то момент затухнет, превратившись просто в туманность. Это произойдет со всеми звездами во вселенной. Правда сразу этого видно не будет, ведь свет от них летит до земли несколько лет, но через какое-то время на небе будут видны яркие вспышки и угасания звезд. Галактики рассеются, как и наша солнечная система, звезды в них потухнут, и вся вселенная погрузится во тьму. Так что спасибо гравитация что ты у нас есть, не исчезай пожалуйста.
Источник