Каковы четыре фундаментальные силы природы?

С начала 20-го века физики признали четыре фундаментальные силы или взаимодействия, которые охватывают все известные явления в природе. Три из четырех были строго и математически охарактеризованы Стандартной моделью, сформулированной в начале 1970-х годов. Четыре силы - сильная ядерная сила (также известная как цветовая сила), слабая ядерная сила (опосредует бета-распад), электромагнитная сила и гравитация.

При очень высоких энергиях слабая ядерная и электромагнитная сила объединяются (начинают вести себя взаимозаменяемо), в то время как при еще более высоких силах считается, что сильная сила соединяется с электрослабым, и, наконец, сила сильного электрослабого соединяется с гравитацией. Считается, что все четыре были объединены сразу после Большого взрыва, на самых ранних стадиях формирования вселенной.

Сильная ядерная сила удерживает вместе протоны и нейтроны в атомном ядре. Более конкретно, оно опосредуется обменом глюонами между кварками, составляющими протоны и нейтроны. Это в 100 раз сильнее электромагнитной силы. Когда ядра разрушаются в ядерных реакциях, энергия этой силы высвобождается. Описанный теорией физики, называемой квантовой хромодинамикой, он теряет всю свою силу на расстояниях, намного более широких, чем атомное ядро.

Электромагнитная сила - это то, с чем люди наиболее знакомы, и она отвечает за все химические реакции и наиболее узнаваемые физические свойства, такие как свет. Он опосредуется фотонами, которые составляют все электромагнитное излучение, от космических лучей до видимого света и радиоволн крайне низкой частоты. И тепло, и свет состоят из фотонов.

Электромагнитные силовые взаимодействия определяются электрическим зарядом. Причина, по которой люди не падают в кресло, сидя на нем, заключается в том, что отрицательный заряд атомных электронных оболочек, составляющих тело, отталкивается отрицательным зарядом электронных оболочек, составляющих кресло. Волны фотонов уменьшаются в зависимости от квадрата расстояния их источника.

Слабая ядерная сила ответственна за относительно небольшой диапазон фундаментальных взаимодействий. Он опосредует бета-распад, который происходит, когда нейтрон распадается на протон и электрон или позитрон. Опосредованный бозонами W и Z, он примерно в сто миллиардов раз слабее электромагнитного. Он работает только на короткие расстояния.

Гравитация - самая слабая из всех сил, но самая распространенная во вселенной, потому что она генерируется всеми телами с массой. Гравитация в 10 ³⁶ раз слабее электромагнитной силы, что затрудняет математический анализ. Частицы, которые, как считается, опосредуют гравитацию, - гравитоны - еще не обнаружены. Гравитация также отличается от других сил тем, что она еще не была интегрирована с остальными в строгой математической форме. Физики искали теорию, объединяющую гравитацию с другими силами в течение почти столетия, но пока безуспешно.