Четыре фундаментальных взаимодействия
Все явления во Вселенной — от падающих яблок до взрывающихся звёзд — возникают из четырёх фундаментальных взаимодействий. У каждого свой переносчик, свой радиус действия и своя сила.
Гравитация
Самая слабая, но самая универсальная сила. Она действует на всё, что обладает энергией, на любых расстояниях — и при этом остаётся единственной силой, для которой у нас нет квантовой теории.
Гравитация — единственная из четырёх сил, которая напрямую ощущается в повседневной жизни, поскольку она всегда притягивающая и накапливается на космических расстояниях. Электромагнетизм столь же дальнодействующий, но положительные и отрицательные заряды в веществе взаимно компенсируются.
В рамках Стандартной модели гравитацию невозможно квантовать. Гравитон со спином 2 был бы подходящим переносчиком, но возникающие квантовые теории поля не дают перенормируемой теории — они «взрываются» при высоких энергиях. Гравитон остаётся гипотетическим; верхняя граница его массы получена из измерений гравитационных волн LIGO.
Поэтому физики ищут теорию квантовой гравитации — теория струн и петлевая квантовая гравитация являются наиболее известными кандидатами, оба без экспериментального подтверждения.
Электромагнетизм
Свет, химия, электроника — всё это электромагнитное. Обмен безмассовыми фотонами действует на бесконечное расстояние и отвечает почти за все явления, которые мы видим и осязаем в повседневной жизни.
Электромагнетизм описывается квантовой электродинамикой (QED) — наиболее точно проверенной теорией в физике. Магнитный момент электрона совпадает с предсказанием с точностью до двенадцати знаков после запятой.
Частица-переносчик, фотон, безмассова и движется со скоростью света. Одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые — притягиваются: в отличие от гравитации электромагнетизм может действовать как притягивающе, так и отталкивающе, поэтому в веществе он почти всегда макроскопически скомпенсирован.
Постоянная тонкой структуры α ≈ 1/137 (безразмерная) задаёт силу связи. Её значение — одна из великих неразгаданных загадок физики: никто не знает, почему оно именно такое.
Сильное взаимодействие
Сильнейшая сила во Вселенной удерживает кварки в протонах и нейтронах — и протоны вместе в атомном ядре. Она действует по совершенно иному принципу, чем все остальные силы: конфайнмент кварков.
Кварки несут цветовой заряд (красный, зелёный, синий — чисто символически). Восемь глюонов передают сильную силу между ними. Решающее отличие: сами глюоны несут цветовой заряд и поэтому взаимодействуют друг с другом — в отличие от фотонов, которые не несут электрического заряда.
Это приводит к конфайнменту: чем дальше разводят два кварка, тем сильнее становится сила — как резиновая лента. При достаточной энергии лента рвётся, но вместо свободных кварков сразу же образуются новые пары кварк-антикварк. Свободные кварки в природе не существуют.
На очень малых расстояниях (при очень высоких энергиях), напротив, кварки становятся почти свободными — асимптотическая свобода, за что Гросс, Политцер и Вильчек получили Нобелевскую премию в 2004 году.
Слабое взаимодействие
Слабая сила отвечает за радиоактивный бета-распад и является единственной силой, способной изменять сорт частицы (аромат) — а также нарушать чётность. Без неё Солнце не могло бы гореть.
Частицы-переносчики W± и Z⁰ чрезвычайно массивны — свыше 80 ГэВ/c², отсюда и крошечный радиус действия (по Гейзенбергу). Эта масса возникает благодаря механизму Хиггса: W-бозон связывается с полем Хиггса и таким образом приобретает инертность.
Уникальная особенность: W-бозон способен изменять сорт частицы. При бета-минус-распаде down-кварк превращается в up-кварк: d → u + W⁻. Затем W⁻ распадается на электрон и антинейтрино. Так в недрах Солнца водород превращается в гелий.
Слабая сила максимально нарушает чётность (лево-правую симметрию) — она связывается исключительно с левосторонними фермионами. Это было одним из самых неожиданных открытий физики частиц (эксперимент Ву, 1956 год).