Hlavní obsah
Kurz: Kosmologie a astronomie > Kapitola 1
Lekce 3: Světlo a základní sílyČtyři základní síly
Gravitace, elektromagnetická síla, slabá a silná jaderná síla Tvůrce: Sal Khan.
Chceš se zapojit do diskuze?
Zatím žádné příspěvky.
Transkript
V tomto videu vám chci dát přehled
4 základních sil existujících ve vesmíru. Začnu s gravitací. Možná některé z vás překvapí, že gravitace je vlastně nejslabší
ze čtyř základních sil. Je to překvapivé, protože nás
drží přilepené, vlastně ne přilepené, ale brání nám, abychom
odlétli z planety, udržuje Měsíc na oběžné dráze kolem Země, Zemi na oběžné dráze kolem Slunce a Slunce na oběžné dráze
kolem středu galaxie Mléčné dráhy. Je tedy trochu překvapivé, že ve
skutečnosti se jedná o nejslabší ze sil. Začne to dávat smysl, pokud se
zamyslíte nad věcmi mimo měřítko člověka nebo molekul nebo atomů. Dokonce i v měřítku lidských bytostí. Vy a váš monitor máte mezi
sebou nějakou gravitační přitažlivost, ale necítíte ji. Váš mobilní telefon
a peněženka se také gravitací přitahují, ale nevnímáme, že by se přitahovaly, podobně jako dva magnety by
se přitahovaly nebo odpuzovaly. Pokud se podíváme
na menší měřítko, zjistíme, že na gravitaci záleží
ještě méně. V chemii o gravitaci ani
nemluvíme, ačkoli je přítomna. V těchto měřítkách ostatní síly
opravdu začínají přebírat kontrolu. Takže gravitace je nejslabší. Posuneme-li se trochu
dále, dostaneme se – tohle je asi nejtěžší na představení,
přinejmenším pro mě je nejsložitější – k slabé jaderné síle,
někdy nazývané slabá interakce, která je zodpovědná za
rozpad radioaktivních prvků. Konkrétně radioaktivní
rozpad beta minus a beta plus. Abych vám dal příklad slabé interakce: Kdybych měl cesium 137,
137 znamená, že má 137 nukleonů, nukleon je buď proton, nebo neutron. Když sečtete protony a neutrony
v jádře atomu cesia, dostanete 137. To, že se jedná o cesium,
poznáme podle přesně 55 protonů. Slabá interakce je odpovědná za
přeměnu jednoho z jeho neutronů. V podstatě se jeden z kvarků přetočí
a tím se neutron změní na proton. Nebudu zabíhat do detailů
o tom, co je kvark. Všechna ta matematika
může být pěkně ošklivá. Místo toho vám chci dát
příklad, co slabá interakce dělá. Takže jeden z těchto
neutronů se změní v proton, budeme mít jeden proton navíc, ale zůstane nám stejný
celkový počet nukleonů, místo neutronu tu máme navíc proton a najednou máme jiný atom,
nyní je to baryum. Během přetočení kvarku
dojde navíc k vyzáření elektronu a elektronové antineutrino. Nebudu tu zabíhat do detailů
o elektronových antineutrinech, jsou to základní částice. Tohle je slabá interakce,
není to pro nás nic očividného, nejsou to jen tyhle přitahující se
a odpuzující se běžné věci, jak si to představujeme u ostatních sil. Nyní další silnější síla...
Jen abyste získali přehled o tom, jak slabá je gravitace
v porovnání se slabou interakcí: Slabá interakce je
10^25krát silnější než gravitace. Možná vás napadlo:
pokud je tak silná, jak je možné, že nepůsobí na planety
nebo mezi námi a Zemí, proč nepůsobí přes
mezigalaktické vzdálenosti, tak jako gravitace? Důvod je, že slabá interakce působí
na velmi malé vzdálenosti, proto může být o hodně
silnější než gravitace. Působí ale jen v rozsahu
menším než atomy, takže na větší vzdálenosti přestane
působit jako síla a ovlivňovat částice. A teď další síla v pořadí. Tu známe o něco lépe. V podstatě dominuje většině chemie,
se kterou se běžně setkáváme, a elektromagnetismu,
se kterým se setkáváme. Je to elektromagnetická síla. A jen pro představu: tahle je
10^36krát silnější než gravitace. Takže překoná i slabou sílu, je 10^12krát silnější než slabá síla. Mluvíme tu o obrovských číslech, buď tohle v poměru k tomuto,
nebo tohle v poměru ke gravitaci. Mohli byste se zeptat:
„Proč elektromagnetická síla, která je neuvěřitelně silná, nepůsobí přes
makroskopické vzdálenosti jako gravitace?“ Zapišme to: makroskopické vzdálenosti. Proč nepůsobí přes
makroskopické vzdálenosti? A ve skutečnosti není nic,
co by elektromagnetické síle bránilo. Ve skutečnosti působí
přes rozsáhlé vzdálenosti. Realita je taková, že ve skutečnosti nemáte takovou
koncentraci Coulombových nábojů nebo magnetismu,
jako máte u hmoty. Takže hmota,
jelikož má tak velkou koncentraci, může působit přes
obrovské vzdálenosti, přestože je mnohem
slabší než elektromagnetická síla. Elektromagnetická síla,
protože je jak přitažlivá, tak odpudivá, má tendenci se sama vyrovnat, takže nenastávají tyhle
obrovské koncentrace náboje. Možná vás zajímá jiná věc:
„Proč se nazývá elektromagnetická síla?“ V našem každodenním životě
se můžeme setkat s Coulombovou silou, neboli s elektrostatickou silou,
která nám je známá. Kladné náboje, nebo vlastně
shodné náboje, se odpuzují. Kdyby oba byly záporné,
stala by se stejná věc. Rozdílné náboje se přitahují. Tohle už jsme viděli,
tohle je Coulombova síla neboli elektrostatická síla, a v druhé části slova „elektromagnetická“
máme „magnetickou“ složku. A magnety, se kterými jste si
hráli na ledničce doma: Pokud máte stejné strany magnetu,
budou se odpuzovat, pokud máte dvě opačné části,
tak se budou přitahovat. Tak proč se tomu říká jedna síla? Říká se tomu jedna síla,
nebudu zabíhat do detailů, říká se tomu jedna síla, protože elektrostatická a magnetická síla
jsou jedna a ta samá věc, na kterou se ovšem díváme
z jiného úhlu pohledu, nebudu zabíhat do detailů,
ale jen abyste věděli, že jsou propojené. V dalším videu se budu zabývat detaily
toho, jak jsou propojeny. Je to zjevnější, když se hýbou, když se náboje hýbou v relativistických
rámcích a… Nebudu zabíhat do detailů. Jen pamatujte na to,
že jsou ve skutečnosti stejné, ale je na ně pohlíženo
z různých perspektiv. Ta nejsilnější ze sil
je zřejmě nejlépe pojmenovaná, říká se jí silná jaderná síla. Přestože jste se s tím asi
zatím v chemii nepotkali, je v chemii velmi často využívána, protože, když se učíte o atomech…
Nakreslím tady atom helia. Atom helia má ve svém jádře
dva protony a také dva neutrony a také má dva elektrony,
které kolem něj obíhají. Takže má elektrony, které bych mohl
nakreslit mnohem menší, ale nebudu se snažit
kreslit to v poměru, prostě má dva elektrony,
které někde plují. A mohla a nemusela
vás napadnout otázka, když jste poprvé viděli tento model atomu: „Rozumím, proč jsou elektrony
přitahovány k jádru. Mají negativní Coulombův náboj,
jádro má pozitivní Coulombův náboj...“ Ale co není zas tak jasné, a to, co vám v hodinách chemie
nevysvětlí, je: Tyto pozitivní náboje
jsou hned vedle sebe! Pokud by elektromagnetická síla
byla jediná síla, která tady hraje roli, pokud by působila
jenom Coulombova síla, pak by tyhle protony od sebe utíkaly,
odpuzovaly by se. A tak jediný důvod,
proč jsou schopny být vedle sebe, je, že na ně působí silnější síla,
než je síla elektromagnetická, která působí na tyto
velmi malé vzdálenosti. Takže pokud dáte tyhle dva
protony k sobě dostatečně blízko – silná jaderná síla působí pouze
na velmi maličké vzdálenosti, subatomické, nebo bych měl
říct subnukleové, vzdálenosti –, pak začne působit silná interakce,
která udržuje tyto náboje spolu. A ještě jednou, jen ať to víme, že v poměru ke gravitaci je
10^38krát větší neboli je asi 100krát silnější
než elektromagnetická síla. Takže důvod, proč
nevidíte silnou jadernou sílu, která je nejsilnější ze všech sil,
nebo nevidíte slabou jadernou sílu, proč nepůsobí ve větším měřítku, je ten, že jejich síla
zmizí opravdu rychle. I když se podíváme na velký
poloměr jádra atomu, síla začíná mizet, hlavně
síla silné jaderné síly. Důvod, proč nevidíte elektromagnetickou
sílu působit na velké vzdálenosti, i když teoreticky můžete,
stejně jako u gravitace, je ten, že nevidíte
koncentraci nábojů, tak jak vidíte koncentraci
hmoty ve vesmíru, protože koncentrace nábojů se
vykompenzuje, začnou se vyrovnávat. Jestliže máme obrovský pozitivní náboj zde
a obrovský negativní náboj tady, budou se přitahovat a pak se nakonec stanou
jednou velkou neutrální koulí, a když už jsou v té neutrální kouli,
už nebudou reagovat s ničím jiným. U gravitace se hmoty přitahují, pak máme hmotu, která
ještě lépe přitahuje jiné hmoty, a tak neustále k sobě přitahuje věci. Takže je to něco, jako
když se valí koule sněhu, proto může gravitace působit na některé
z těchto obrovských objektů ve vesmíru a vesmír samotný.