Айзък Азимов
Гравитационната гибел на вселената (2) (Колапсиращата вселена или историята на черните дупки)

Четирите сили

Съществуват четири различни начина, чрез които различните частици, съставящи Вселената, могат да взаимодействуват помежду си. Всеки един от тези начини е специален вид взаимодействие или ако използуваме по-старомоден, но по-общ термин — сила. Учените не са могли да открият пета сила или, поне засега, да намерят основания за необходимостта от наличие на някаква пета сила.

Четирите сили са подредени по намаляване на тяхната големина в таблица 1.

Всяка частица във Вселената е източник на една или повече сили. Всяка частица е център на обем от пространството, в който тази сила съществува, с големина, намаляваща с увеличаване на разстоянието до източника. Този обем, в който силата може да се почувствува, се нарича силово поле.

Всяка частица, която може да служи като източник на някакво специфично поле, ще реагира на също такова поле, създадено от друга частица. Най-общо реакцията се изразява в движение: частиците се движат една към друга (привличане) или се отдалечават една от друга (отблъскване), докато не съществува физическа пречка за това.

Така всеки обект, способен да създава гравитационно поле, ако бъде поставен в гравитационното поле на Земята, ще се движи към нейния център, т.е. ще пада. Земята също ще се движи към центъра на обекта и тъй като тя обикновено е много по-голяма от падащия обект, то нейното движение ще бъде много по-слабо изразено и като правило — невъзможно за измерване.

Измежду четирите сили две — ядрените и слабите сили — се чувстват на крайно малки разстояния, от порядъка на 10^–13 cm или още по-малки^[2]. Такъв е горе-долу размерът на малкото ядро, което съществува в самия център на атома. Тези сили се проявяват само в пределите на ядрата или в непосредствените околности на отделните изолирани частици. Поради тази причина терминът ядрени сили понякога се използува и за двете, а ги различаваме по относителната им големина, като казваме силни ядрени сили и слаби ядрени сили.

В тази книга обаче ние рядко ще споменаваме слабите сили, така че под ядрени сили ще разбираме просто силните ядрени взаимодействия, т.е. по-интензивните ядрени сили.

Не е вероятно дадена частица да генерира и да реагира на всяка една от силите. Само определени частици генерират и реагират на ядрените сили. Тези частици се наричат адрони, което на гръцки означава „силен“, понеже ядрените взаимодействия са най-силните. Най-разпространените адрони, които имат основно значение за структурата на Вселената, са двата нуклона — протонът и неутронът.

Протонът е открит през 1914 г. от британския физик Ърнест Ръдърфорд (1871–1937) и наименованието му идва от гръцки и означава „първи“, защото по времето на откриването му това е била най-малката частица с положителен електричен заряд.

Неутронът е открит през 1932 г. от английския физик Джеймс Чадуик (1891–1974). Неутронът няма електричен заряд — нито положителен, нито отрицателен. С други думи, той е електрически неутрален, откъдето идва и името му.

През 1911 година Ръдърфорд показва, че почти цялата маса на атома е съсредоточена в много малка пространствена област в центъра му — ядрото на атома. След откриването на протоните се разбрало, че те са сравнително масивни частици и представляват част от ядрата. Броят на протоните в ядрата варира в зависимост от вида на атомите. Водородният атом има един протон в ядрото си, хелиевият има два, литиевият — три, и т.н. до урановия атом, който има 92 протона. Още по-масивни атоми са създадени изкуствено в лабораториите.

Възниква въпросът, какво задържа на едно място вътре в ядрата всички протони, където те са разположени толкова близко?

До 1935 година са били известни само две сили — електромагнитната и гравитационната. Гравитационната сила е твърде слаба, за да държи протоните заедно. Електромагнитната сила е достатъчно голяма, но тя се проявява не само като привличане, но и като отблъскване. Между две частици с противоположен електричен заряд (положителен и отрицателен) съществува привличане, а между две частици с едноименен електричен заряд (положителен или отрицателен и за двете частици) съществува отблъскване. Всички протони са заредени положително и следователно би трябвало да се отблъскват, като отблъскването трябва да е толкова по-силно, колкото по-близо един до друг са протоните. В едно атомно ядро, където протоните са притиснати един до друг, електромагнитното отблъскване трябва да е изключително силно, но въпреки това протоните остават заедно.

Заедно с протоните неутроните също влизат в състава на ядрата, но това като че ли не обяснява нещата. Тъй като неутроните не притежават електричен заряд, те нито пораждат, нито реагират на електромагнитните сили. Следователно, те нито привличат, нито отблъскват протоните, т.е. нито могат да помагат на протоните да останат заедно, нито могат, да ускорят раздалечаването им.

Едва през 1935 г. японският физик Хидеки Юкава (1907–1981) създава плодотворна теория за ядрените сили. Той показва, че е възможна появата на сила на привличане между протоните и неутроните, когато те са близо един до друг, като тази сила на привличане е хиляди пъти по-голяма от електромагнитната сила на отблъскване. Онова, което ядрената сила държи заедно, електромагнитната сила не може да разруши.

Ядрените сили „работят“ най-добре, правейки ядрото стабилно, само когато протоните и неутроните са в определени съотношения. За атомите, чиито ядра съдържат по-малко от 40 частици, най-доброто съотношение е като че ли еднаквият брой протони и неутрони. За по-сложните ядра е необходимо броят на неутроните да бъде по-голям от броя на протоните, като това преобладаване на неутроните е толкова по-голямо, колкото по-сложно е ядрото. Ядрото на бисмута, например съдържа 83 протона и 126 неутрона.

Когато едно ядро се състои от протони и неутрони, чието съотношение е извън областта на стабилност, то ядрото не може да остане свързано. Докато пропорцията влезе в зоната на стабилност, от ядрото ще излитат малки бета-частици (бета (β) е втората буква от гръцката азбука) поради действието на слабите сили. Възможни са и други начини на ядрено разпадане, но всички те са обединени в това, което наричаме радиоактивност.

Колкото и да са „силни“ ядрените сили, те имат своите граници. Големината на ядрените сили спада извънредно бързо с увеличаване на разстоянието и не се чувствува извън ядрото. Влиянието на силата на привличане отслабва значително още във външните области на по-големите ядра.

Електромагнитната сила също намалява, но значително по-бавно. Размерът на ядрото е ограничен, тъй като във външните му области електромагнитната сила на отблъскване се изравнява с бързо намаляващата ядрена сила на привличане. Ето защо атомните ядра са толкова малки. Ядрената сила просто не може да създаде нещо по-голямо (освен при изключителни, необичайни условия, които ще разгледаме по-нататък в книгата).

Сега нека да съсредоточим вниманието си върху електромагнитното взаимодействие, което, както вече казах, се генерира само от тези частици, които носят електричен заряд, и на него реагират също само такива частици. Зарядът бива положителен и отрицателен. Взаимодействието между положителните и отрицателните заряди се нарича привличане, а взаимодействието между едноименните (отрицателни или положителни) е отблъскване.

Протонът, който има положителен електричен заряд, генерира и реагира както на ядрените, така и на електромагнитните сили. Неутронът, който е електрически неутрален, поражда само ядрените сили и реагира само на тях.

Освен това съществуват и частици, наречени лептони, което на гръцки означава „слаб“. Те генерират и реагират само на слабите сили, никога на ядрените сили. Някои лептони обаче имат електричен заряд и поради това те генерират и реагират и на електромагнитните сили, а не само на слабите сили.

Най-важният от лептоните, що се отнася до обикновената материя, е електронът, който носи отрицателен електричен заряд. (Бета-частиците, които излизат с огромни скорости от нестабилните ядра при слабите взаимодействия, не са нищо друго освен бързи електрони.) Електронът е открит през 1897 г. от английския физик Джоузеф Джон Томсън (1856–1940) и е получил името си от това, че по време на откриването му най-малкият носител на електричен заряд, познат дотогава, е бил наречен така. Той си остава такъв и до днес.

Информацията, която имаме дотук, е резюмирана в таблица 2.

Забележка: Съществуват също така и частици, подобни, на електрона, но с положителен електричен заряд. Това са антиелектрони, или позитрони. Протон с отрицателен електричен заряд е антипротон. Неутрон с някои противоположни свойства е антинеутрон. Тази група противоположни частици е групата на античастиците. Така както обикновените частици са градивните съставки на веществото около нас, то античастиците биха могли да бъдат градивните съставки на антивеществото. Такова антивещество може би съществува някъде във Вселената, но досега ние не сме успели да установим съществуването му. Учените обаче са в състояние да създават малки количества антивещество в лабораторни условия.