Новости всё Наука - iCity.life Кемерово

Если вести речь о фундаментальных законах природы, то все можно разбить на четыре силы, находящиеся в основе всего сущего во Вселенной:

1. Сильное ядерное взаимодействие. Это сила, отвечающая за взаимное притяжение атомных ядер, протонов и нейтронов.
2. Слабое ядерное взаимодействие. Отвечает за некоторые виды радиоактивного распада и за превращение тяжелых нестабильных элементарных частиц в более легкие.
3. Электромагнитная сила. Эта сила, среди прочего, притягивает и отталкивает заряженные частицы, связывает атомы в молекулы и вызывает электрический ток.
4. Гравитация. Эта сила удерживает вместе Землю, Солнечную систему, звезды и галактики.

В зависимости от нашего взгляда на них у каждой силы есть определенный масштаб и обстоятельства, при которых она превосходит остальные.

Возьмем самый маленький масштаб — 10 метров в минус 16-й степени, что в миллион раз меньше размера атома. В таком масштабе сильное ядерное взаимодействие может превзойти все прочие силы. Посмотрим, например, на ядро гелия: два протона и два нейтрона, связанные вместе в устойчивой конфигурации. Даже электромагнитного отталкивания между двумя протонами недостаточно, чтобы преодолеть сильное ядерное взаимодействие, которое подобно клею скрепляет ядро. Даже если убрать один нейтрон, оставив два протона и один нейтрон, полученный изотоп гелия все равно будет стабилен. Сильное ядерное взаимодействие на самом малом расстоянии неизменно превосходит все прочие силы. Поэтому при многих обстоятельствах его можно считать самым сильным.

Но попытайтесь сделать атомное ядро слишком большим, и электромагнитная сила возьмет верх. Например, ядро гелия начнет очень часто выбрасывать уран-238, так как отталкивающая сила между различными частями ядра слишком велика, и сильное ядерное взаимодействие не может удержать все вместе. А если мы возьмем масштаб побольше, например, космический, то здесь интенсивные магнитные поля, порождаемые коллапсирующими звездами и быстро вращающейся заряженной материей, могут ускорять частицы до самой большой энергии во Вселенной, в результате чего получаются космические лучи сверхвысокой энергии, бомбардирующие нас в небе со всех направлений. В отличие от сильного ядерного взаимодействия, у электромагнитной силы нет пределов; электрическое поле протона можно ощутить на противоположной стороне Вселенной.

Слабое ядерное взаимодействие может показаться наименее вероятным кандидатом на первенство по мощи, особенно если обратить внимание на его название; но даже у этого относительного слабака случаются моменты славы. При соответствующих условиях электромагнитная сила (из-за которой одноименно заряженные частицы отталкиваются) и сильное ядерное взаимодействие (обеспечивающее связь ядер) могут уравновешивать друг друга, благодаря чему действующее на очень малом расстоянии слабое ядерное взаимодействие начинает обретать большое значение. Усиливаясь, оно меняет устойчивость системы и может вызвать радиоактивный бета-распад, когда нейтрон превращается в протон, электрон и нейтрино (анти-электрон). Свободные нейтроны, многие тяжелые элементы и даже нестабильный изотоп тритий, находящийся в тяжелой (тритиевой) воде — все это демонстрирует силу слабого ядерного взаимодействия.

Но в самых больших масштабах — в масштабах галактик, галактических скоплений и так далее — все вышеуказанные силы не имеют особого значения. Даже электромагнетизм, по дальности действующий во всей Вселенной, и тот не оказывает большого воздействия, так как количество положительно заряженных частиц (в основном протонов) и количество отрицательно заряженных частиц (в основном электронов) равно друг другу. Даже экспериментально мы можем установить, что разница зарядов во Вселенной составляет менее единицы на 10 в минус 34-й степени. Вселенная говорит нам, что хотя электромагнетизм может быть намного сильнее, чем сила притяжения между двумя частицами, если мы сможем собрать вместе достаточное количество в целом электрически нейтральных частиц (или близко к этому), то гравитация будет единственной силой, которая имеет значение. Ядерный синтез и связанное с ним давление радиации не могут разорвать звезды на куски, поскольку их гравитационная сила притяжения превышает энергию разрыва.

Скопления галактик и огромные структуры могут простираться на миллиарды световых лет по всей Вселенной. Тем не менее, если поискать структуры размером 8, 10 или 15 миллиардов световых лет, во всем космосе мы найдем абсолютный ноль. Причина здесь весьма озадачивающая. Это не те силы, о которых мы говорили выше, а совершенно неожиданное явление, которое называется темной энергией.

В самых больших масштабах крошечного количества энергии, присущей космосу (это менее джоуля энергии на кубический километр пространства), достаточно, чтобы преодолеть силу притяжения даже между самыми большими галактиками и их скоплениями во Вселенной. Каков результат? Ускоренное расширение, поскольку самые удаленные галактики и их скопления с течением времени расходятся все дальше друг от друга и все быстрее. В самых больших космических масштабах даже гравитация не может взять верх.

Так что же сильнее? В самом маленьком масштабе это сильное ядерное взаимодействие. Если говорить о высочайших энергиях, это электромагнитная сила. В самых крупных взаимосвязанных структурах — гравитация. А в самом большом из всех масштабов это загадочная темная энергия. В абсолютном значении темная энергия самая слабая: у Вселенной почти половина жизни ушла на то, чтобы только начать показывать ее воздействие. А человечество обнаружило ее только в 1998 году. Но Вселенная — она очень большая, и если сложить весь объем пространства и заглянуть в далекое будущее, темная энергия в итоге окажется единственной силой, имеющей значение.