Какие силы вы знаете? Силу тяжести, натяжения нити, сжатия пружины, столкновения тел, силу трения, взрыва, сопротивления воздуха и среды, поверхностного натяжения жидкости, силы Ван-дер-Ваальса — и на этом список вовсе не заканчивается. Но все эти силы — производные четырёх фундаментальных! О них и пойдёт речь.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №6(34). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Основой основ физических законов являются четыре фундаментальных взаимодействия, которые отвечают за все процессы во Вселенной. Если элементарные частицы можно сравнить с кирпичиками бытия, то взаимодействия — это цементный раствор. Сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное — именно в таком порядке, от сильного к слабому, рассматриваются взаимодействия. Их нельзя свести к более простым — поэтому они и называются фундаментальными.

Прежде чем приступать к описанию сил, необходимо объяснить, что подразу­мевается под словом взаимодействие. Физики рассматривают его как результат обмена некими посредниками, их принято называть переносчиками взаимодействия.

Начнём с самого интенсивного. Сильное взаимодействие было открыто в 30‑х годах прошлого столетия в период активного исследования атома. Оказалось, что целостность и стабильность его ядра как раз и обеспечивается чрезвычайно сильным взаимодействием нуклонов между собой. 

Содержимое ядер притягивается друг к другу за счёт особых квантов — ­π-мезонов, являющихся «официальными» переносчиками сильного взаимодействия. Такая ядерная сила в 1038 раз интенсивнее самого слабого взаимодействия — гравитационного. Если бы сильное взаимодействие вдруг исчезло, атомы во Вселенной моментально распались бы. За ними молекулы, далее вещество — вся окружающая нас действительность перестала бы существовать, за исключением элементарных частиц. Интересной особенностью их «взаимоотношений» является близкодействие: положительно заряженные частицы, протоны, притягиваются друг к другу только при непосредственном соприкосновении.

Если протоны удалены на некоторое расстояние друг от друга, возникает электро­магнитное взаимодействие, при котором одноимённо заряженные частицы отталкиваются, а разноимённо заряженные — притягиваются. В случае незаряженных частиц эта сила не возникает — вспомним знаменитый закон Кулона о неподвижных точечных электрических зарядах. Переносчиками электромагнитных сил являются фотоны, обеспечивающие помимо прочего перенос энергии Солнца к нашей планете. Исключение этой силы грозит Земле полным замерзанием. Электромагнитное взаимодействие сильнее гравитационного в 1035 раз, то есть всего в 100 раз слабее ядерного.

Природа предусмотрела ещё одну фундаментальную силу, отличающуюся исчезающе малой интенсивностью и очень незначительным радиусом действия (меньше атомного ядра). Это слабое взаимодействие — его переносчиками выступают особые заряженные и нейтральные бозоны. Сферой ответственности слабых сил является прежде всего бета-распад нейтрона, сопровождающийся образованием протона, электрона и (анти-)нейтрино. Подобные превращения активно идут на Солнце, что и определяет важность этого фундаментального взаимодействия для нас с вами.

Все описанные силы достаточно подробно изучены и органично встроены в физическую картину мира. Однако последняя сила, гравитационная, отличается столь малой интенсивностью, что о её сущности до сих пор приходится гадать.

Парадоксальность гравитационного взаимодействия в том, что мы его ежесекундно ощущаем, но никак не можем зафиксировать переносчика. Есть лишь предположение о существовании гипотетического кванта гравитона, обладающего скоростью света. Он способен к интерференции и дифракции, но обделён зарядом. Учёные полагают, что, когда одна частица испускает гравитон, изменяется характер её движения, — аналогичная ситуация складывается с частицей, принимающей квант. Уровень развития техники пока не позволяет нам «увидеть» гравитон и более подробно изучить его свойства. Интенсивность гравитации в 1025 раз меньше слабого взаимодействия.

Как же так, скажете вы, сила притяжения совсем не кажется слабой! В этом и заключаются уникальные свойства фундаментального взаимодействия № 4. Например, универсальность — любое тело с любой массой создаёт в пространстве гравитационное поле, способное проникать сквозь любое препятствие. Причём сила гравитации увеличивается с массой объекта — свойство, характерное только для этого взаимодействия.

Вот почему гигантская по сравнению с человеком Земля создаёт вокруг себя гравитационное поле, удерживающее на поверхности воздух, воду, горные породы и, конечно, живую оболочку. Если одномоментно отменить гравитацию, скорость, с которой мы с вами отправимся в космос, составит 500 м/с. Наравне с электромагнитным взаимодействием гравитация обладает большой дальностью действия. Поэтому её роль в системе движущихся тел во Вселенной огромна. Даже между двумя людьми, находящимися на значительном расстоянии друг от друга, существует микроскопическое гравитационное притяжение.

Гравитационная пушка — вымышленное оружие, создающее локальное гравитационное поле. Оружие позволяет притягивать, поднимать и кидать предметы за счёт силы, генерируемой полем. Впервые эту концепцию использовали в компьютерной игре Half-life 2.

Гравитация может сыграть злую шутку с крупными, гораздо массивнее Земли, объектами в космосе — например, звёздами на поздних стадиях эволюции. Сила притяжения сжимает звезду и в определённый момент пересиливает внутреннее давление. Когда радиус такого объекта становится меньше гравитационного, происходит коллапс, и звезда гаснет. От неё не исходит больше никакая информация, даже световые лучи не могут преодолеть гигантскую силу притяжения. Так рождается чёрная дыра.

У планет, объектов значительно более миниатюрных, свои гравитационные особенности. Так, Земля за счёт собственной ­массы искривляет пространство-­время и закручивает его своим вращением! Эти явления получили название геодезической прецессии и гравитомагнитного эффекта соответственно.

Что такое геодезическая прецессия? Представим, что по орбите нашей планеты движется объект, на поверхности которого (в невесомости) с большой скоростью вращается волчок. Его ось будет отклоняться в направлении движения с интенсивностью 6,6 угловой секунды в год. Земля искривляет своей массой окружающее пространство-время, со­здавая в нём подобие выемки.

Гравитомагнитный эффект (эффект Лензе — Тирринга) хорошо иллюстрирует вращение палочки в густом мёде: она увлекает за собой тягучую сладкую массу, образуя спиралевидное завихрение. Так и Земля вращением закручивает вокруг своей оси «медовое» пространство-­время. А фиксируется это опять-таки осью волчка, отклоняющегося в сторону вращения Земли на микроскопические 0,04 угловой секунды в год.

Наша планета своей гравитацией оказывает влияние на время и пространство. Это утверждение долгое время оставалось лишь гипотезой Эйнштейна и его последователей, пока в 2004 году американцы не запустили спутник Gravity Probe-B. Аппарат вращался по полярной орбите Земли и был оснащён точнейшими в мире гироскопами — усложнёнными аналогами волчков. О сложности этих технических шедевров говорит тот факт, что неровности на шариках гироскопов не превышали двух-трёх атомов. Если увеличить эти миниатюрные сферы до размеров Земли, то высота самой большой неровности не превысит трёх метров! Такие ухищрения понадобились, чтобы экспериментально установить то самое искривление пространства-времени. И после 17 месяцев работы на орбите оборудование зафиксировало смещение осей вращения сразу четырёх супергироскопов!

В ходе эксперимента Gravity Probe-B были доказаны два эффекта Общей теории относительности: искривление пространства-времени (геодезическая прецессия) и появление дополнительного ускорения вблизи массивных тел (гравитомагнитный эффект)

У гравитации есть масса других, гораздо более явных эффектов. Например, в нашем организме нет ни одного органа, который бы не был адаптирован к земному притяжению.

Именно поэтому человеку так непривычно и даже опасно длительное время находиться в состоянии невесомости: кровь перераспределяется по организму таким образом, что оказывает чрезмерное давление на сосуды головного мозга, а кости со временем отказываются усваи­вать соли кальция и становятся ломкими, как тростник. Только постоянными физическими нагрузками человек может частично оградить себя от последствий невесомости.

Гравитационное поле Луны оказывает влияние на Землю и её обитателей — о приливах-отливах знают все. За счёт центробежной силы Луна отдаляется от нас на 4 см в год, и интенсивность приливов неумолимо снижается. В доисторический период Луна была гораздо ближе к Земле, и, соответственно, приливы были значительными. Возможно, это стало главным фактором, предопределившим выход живых организмов на сушу.

Исследование фундаментальных взаи­модействий пока только набирает обороты. Нельзя сказать с уверенностью, что сил всего четыре, — их может быть и пять, и десять. Учёные пытаются собрать все взаимодействия под «крышей» одной модели, однако до её создания ещё ох как далеко. А главным центром притяжения становится гипотетический гравитон. Скептики утверждают, что человек никогда не сможет зафиксировать этот квант, так как его интенсивность слишком мала, но оптимисты верят в будущее технологий и методов физики. Поживём — увидим.