Четирите фундаментални взаимодействия

В това видео искам да направя едно доста сериозно обобщение на четирите фундаментални взаимодействия във Вселената. Ще започна с гравитацията. Може и да се изненадаш, но гравитацията всъщност е най-слабата от четирите фундаментални сили. Изненадващо е, защото си казваме: "Еха, това ни държи – е, не залепени, но не ни позволява да излетим от планетата." Гравитацията държи Луната в орбита около Земята, Земята в орбита около Слънцето и Слънцето в орбита около центъра на галактиката Млечен път. Така че си е леко учудващо, че всъщност е най-слабото от тези взаимодействия. Причините започват да се изясняват, ако се замислиш за нещата откъм човешки, молекулярни или дори атомични мащаби. Дори в човешки мащаб, между мониторa ти и теб има някакъв вид гравитационно привличане. Просто не го забелязваш. Или пък – телефона и портфейла ти, там също има гравитационно привличане. Те обаче очевидно не се привличат по същия начин, по който се привличат или отблъскват два магнита. Ако става въпрос за още по-малък мащаб, там съвсем не се забелязва. Дори не говорим за гравитация в химията, макар и да я има. В тези мащаби обаче другите взаимодействия наистина започват да доминират. Така, гравитацията е най-слабата. Ако качим едно стъпало нагоре, стигаме до може би най-трудната сила за визуализация, или поне за мен е най-малко интуитивната – слабата сила, среща се още като слабото взаймодействие. То отговаря за радиоактивния разпад, най-вече от типа бета минус и бета плюс. Пример за слабо взаймодействие е, ако разполагаме с цезий-137 – 137 означава, че има 137 нуклона. Нуклонът е или протон, или неутрон. Събираме протоните и неутроните на цезия и получаваме 137. Цезий е, защото има точно 55 протона. Слабото взаимодействие е причината един от кварките на неутроните му, общо взето, да се преобърне и превърне в протон. Няма да навлизам в детайли относно това какво представлява един кварк. Математиката става доста неприятна. Искам просто да ти дам пример за това какво прави слабото взаимодействие. Ако един от тези неутрони стане на протон, тогава ще имаме един протон в повече. Обаче ще имаме същия брой нуклони. Вместо да има допълнителен неутрон тук, има допълнителен протон там. Това вече е друг атом – барий. По време на преобръщането той ще излъчи едни електрон и едно анти-електронно неутрино. Отново – няма да навлизам детайли относно това какво е анти-електронно неутрино. Става дума за фундаментални частици. Това обаче представлява слабото взаймодействие. Не е нещо очевидно за нас. Не е едно от онези традиционни неща, които се привличат или отблъскват едно от друго, както сме свикнали да мислим за другите взаимодействия. Следващата по големина сила – а, за да си представиш колко слаба е гравитацията в сравнение със слабото взаймодействие, то е 10 на степен 25 по силата на гравитацията. Може би си казваш: "Ако е толкова силно, защо не въздейства на планетите или на нас спрямо Земята? Защо не важи при междугалактични разстояния като гравитацията?" Причината е, че слабото взаимодействие важи само при много малки, миниатюрни разстояния. Може и да е много по-силно от гравитацията, но само в много, много – реално само в субатомен мащаб. Отвъд това един вид изчезва като сила, като истинско взаимодействие. Със следващата сила нагоре в йерархията сме по-запознати, понеже доминира в по-голямата част от химията, с която се занимаваме, както и електромагнетизма, който също засягаме, и това е електромагнитната сила. Нека го запиша в цикламено. За перспектива – тя е 10 на степен 36 по силата на гравитацията. Тоест поставя "слабата" сила на мястото ѝ. 10 на 12-та пъти по-силна е от нея. Тук става дума за огромни числа, дали в сравнение едни с други, или в сравнение само с гравитацията. Може и да си кажеш: "Е, познавам електромагнитната сила, тя е невероятно силна. Защо не се отнася до всички онези макромащаби като гравитацията?" Нека го запиша – "макромащаби". Защо не се отнася до тях? Всъщност няма причина електромагнитната сила да не може да я има при големи разстояния. Реално обаче няма такива високи концентрации на Кулонови заряди или магнетизъм като тези на маса. Гравитацията, при наличието на голяма маса, може да влияе на огромни разстояния, въпреки че е много по-слаба от електромагнитната сила. Електромагнитната сила, понеже е едновременно и привличаща, и отблъскваща, по принцип сама се балансира. Това означава, че няма големи струпвания на заряди. Друго, за което може би се чудиш, е защо се нарича "електромагнитно взаимодействие". Във всекидневния живот има неща като силата на Кулон или електростатичното взаимодействие. Положителни или сходни заряди се отблъскват – ако и двата бяха отрицателни, същото щеше да се случи – и различните заряди се привличат. Вече няколко пъти сме го виждали. Това е силата на Кулон, или електростатичното взаимодействие. На другия край на думата стои магнитната част. Сигурно се е случвало да си играеш с магнитчетата от хладилника. Ако са две еднакви страни, ще се отблъснат. Ако са различни, противоположни страни, ще се привлекат. Защо тогава говорим за едно взаимодействие? Нарича се една сила – отново, без да навлизам в подробности – нарича се една сила, защото се оказва, че силата на Кулон, електростатичното взаимодействие и магнитната сила са всъщност едно и също нещо, разгледано и отнесено към различни рамки. Няма да навлизам в детайли. Запомни обаче, че са свързани. В някое бъдеще видео ще развия повече причините, поради които са свързани. По-видимо е, когато зарядите се движат в относителни рамки и има...а, нека се спрем дотук. Запомни само, че са просто едно и също взаимодействие, разгледано от различни рамки за сравнение. Най-силното взаимодействие безспорно е това с най-доброто име. Това е силното взаимодействие. Макар че не се споменава в часовете по химия, то всъщност е доста силно застъпено в химията. От самото начало, когато се учи за атоми – нека начертая един хелиев атом. Хелиевият атом има два протона в ядрото си, заедно с два неутрона. Също има и два електрона, обикалящи около ядрото. Тоест има електрон. Мога да го нарисувам и по-малък. Е, няма да действам с относителни размери. Има два електрона, кръжащи около ядрото. Нещо, което може и да е изникнало в ума ти при появата на модела на този атом, е: "Добре, виждам защо електроните се привличат от ядрото. Те имат отрицателен Кулонов заряд. Ядрото има общ позитивен Кулонов заряд." Онова, което не е очевидно обаче и което по принцип никога не се обяснява в час по химия е, че тези два положителни заряда седят точно един до друг. Ако само електромагнитното взаимодействие участваше, ако Кулоновата сила беше единственото, което ставаше, тези два заряда щяха просто да избягат един от друг. Щяха да се отблъснат. Единствената причина да могат да са долепени е, че има една дори по-голяма от електромагнитната сила, която работи при тези миниатюрни разстояния. Тоест, ако сложиш два от тези протони достатъчно близо един до друг, а силното взаимодействие важи само при много, много, много малки разстояния, субатомни или, по-правилно, субядрени разстояния, тогава силното взаимодействие влиза в картинката. То всъщност ги държи заедно. Отново, нека го разгледаме спрямо гравитацията: то е 10 на степен 38 пъти по-голямо от нея. Това е около 100 пъти по-силно от електромагнитната сила. Още веднъж – причината силното взаиводействие да не се вижда е, че макар то да е най-силното от тези взаимодействия, както при слабото взаимодействие важи, че при големи мащаби тяхната сила много бързо изчезва. Дори само в ядра на атоми с по-големи радиуси силата им започва да изчезва, особено що се отнася до силното взаимодействие. Причината пък действието на електромагнитната сила да не се вижда при големи разстояния, макар теоретично да може да действа също като гравитацията, е, че няма концентрация на заряди както струпвания на маса във Вселената. Това е така, защото концентрираните заряди по принцип се подреждат сами. Балансират се. Ако имам голям положителен заряд тук и голям отрицателен заряд там, ще се привлекат и ще се превърнат в нещо подобно на голямо 'парче' неутрален заряд. Когато това стане, вече няма да си взаимодействат с нищо друго. При гравитацията пък, ако има една маса и друга маса и те се привличат, тогава се получава трета маса, която дори повече привлича други маси. Още повече, че ще продължи да ги привлича. Получава се лавинообразен процес. Затова гравитацията въздейства върху тези наистина големи обекти в нашата Вселена, а и върху Вселената като цяло.