Что в различных веществах содержится достаточно много элементарных частиц, фундаментальные физические взаимодействия представлены четырьмя типами: сильным, электромагнитным, слабым и гравитационным. Последнее считается самым всеобъемлющим.
Гравитации подвержены все макротела и микрочастицы без исключения. Гравитационному воздействию подвергаются абсолютно все элементарные частицы. Проявляется оно в форме всемирного тяготения. Это фундаментальное взаимодействие управляет самыми глобальными процессами, происходящими во Вселенной. Гравитация обеспечивает структурную стабильность Солнечной системы.
В соответствии с современными представлениями, фундаментальные взаимодействия возникают вследствие обмена частицами. Гравитация формируется посредством обмена гравитонами.
Фундаментальные взаимодействия - гравитационное и электромагнитное - являются по природе своей дальнодействующими. Соответствующие им силы могут проявиться на значительных расстояниях. Указанные фундаментальные взаимодействия при этом имеют свои особенности.
Описано однотипными зарядами (электрическими). При этом заряды могут иметь как положительный, так отрицательный знак. Электромагнитные силы, в отличие от (гравитации), могут выступать в качестве сил отталкивания и притяжения. Данным взаимодействием обуславливаются химические и физические свойства различных веществ, материалов, живой ткани. Электромагнитные силы приводят в действие и электронную и электрическую аппаратуру, связывая при этом между собой заряженные частицы.
Фундаментальные взаимодействия известны за пределами узкого круга астрономов и физиков в разной степени.
Несмотря на меньшую известность (в сравнении с прочими типами), слабые силы играют важную роль в жизни Вселенной. Так, если бы не было слабого взаимодействия, то погасли бы звезды, Солнце. Эти силы относятся к короткодействующим. Радиус приблизительно в тысячу раз меньше, чем у сил ядерных.
Ядерные силы считаются самыми мощными из прочих. Сильным взаимодействием определяются связи только между адронами. Действующие в между нуклонами ядерные силы являются его проявлением. приблизительно в сто раз мощнее электромагнитного. Отличаясь от гравитационного (как, собственно, и от электромагнитного), оно является короткодействующим на расстоянии, которое больше 10-15 м. Кроме того, описание его возможно при помощи трех зарядов, формирующих сложные сочетания.
Радиус действия считается важнейшим признаком фундаментального взаимодействия. Радиусом действия называют максимальное расстояние, которое образуется между частицами. За его рамками взаимодействием можно пренебречь. Малый радиус характеризует силу как короткодействующую, большой радиус - как дальнодействующую.
Как уже отмечалось выше, слабые и сильные взаимодействия считаются короткодействующими. Интенсивность их убывает достаточно быстро при увеличении между частицами расстояния. Указанные взаимодействия проявляются на небольших, недоступных для восприятия посредством органов чувств расстояниях. В связи с этим, данные силы были открыты значительно позже остальных (только в двадцатом столетии). При этом были применены достаточно сложные экспериментальные установки. Гравитационные и электромагнитные виды фундаментальных взаимодействий считаются дальнодействующими. Они отличаются медленным убыванием при увеличении между частицами расстояния и не наделены конечным радиусом действия.
Многие основополагающие концепции современного естествознания прямо или косвенно связаны с описанием фундаментальных взаимодействий. Взаимодействие и движение – важнейшие атрибуты материи, без которых невозможно ее существование. Взаимодействие обусловливает объединение различных материальных объектов в системы, т. е. системную организацию материи. Многие свойства материальных объектов производны от их взаимодействия, являются результатом их структурных связей между собой и взаимодействий с внешней средой.
К настоящему времени известны четыре вида основных фундаментальных взаимодействий:
· гравитационное;
· электромагнитное;
· сильное;
· слабое.
Гравитационное взаимодействие характерно для всех материальных объектов вне зависимости от их природы. Оно заключается во взаимном притяжении тел и определяется фундаментальнымзаконом всемирного тяготения: между двумя точечными телами действует сила притяжения, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними . Гравитационным взаимодействием определяется падение тел в поле сил тяготения Земли. Законом всемирного тяготения описывается, например, движение планет Солнечной системы, а также других макрообъектов. Предполагается, что гравитационное взаимодействие обусловливается некими элементарными частицами – гравитонами , существование которых к настоящему времени экспериментально не подтверждено.
Электромагнитное взаимодействие связано с электрическими и магнитными полями. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное поле – при их движении. В природе существуют как положительные, так и отрицательные заряды, что и определяет характер электромагнитного взаимодействия. Например, электростатическое взаимодействие между заряженными телами в зависимости от знака заряда сводится либо к притяжению, либо к отталкиванию. При движении зарядов в зависимости от их знака и направления движения между ними возникает либо притяжение, либо отталкивание. Различные агрегатные состояния вещества, явление трения, упругие и другие свойства вещества определяются преимущественно силами межмолекулярного взаимодействия, которое по своей природе является электростатическим. Электромагнитное взаимодействие описывается фундаментальными законами электростатики и электродинамики: законом Кулона, законом Ампера и др. Его наиболее общее описание дает электромагнитная теория Максвелла, основанная на фундаментальных уравнениях, связывающих электрическое и магнитное поля.
Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре и определяет ядерные силы. Предполагается, что ядерные силы возникают при обмене между нуклонами виртуальными частицами – мезонами .
Наконец, слабое взаимодействие описывает некоторые виды ядерных процессов. Оно короткодействующее и характеризует все виды бета-превращений.
Обычно для количественного анализа перечисленных взаимодействий используют две характеристики: безразмерную константу взаимодействия, определяющую величину взаимодействия, и радиус действия (табл. 3.1).
Таблица 3.1
Пo данным табл. 3.1 видно, что константа гравитационного взаимодействия самая малая. Радиус действия его, как и электромагнитного взаимодействия, неограничен. Гравитационное взаимодействие в классическом представлении в процессах микромира существенной роли не играет. Однако в макропроцессах ему принадлежит определяющая роль. Например, движение планет Солнечной системы происходит в строгом соответствии с законами гравитационного взаимодействия.
Сильное взаимодействие отвечает за устойчивость ядер и распространяется только в пределах размеров ядра. Чем сильнее взаимодействуют нуклоны в ядре, тем оно устойчивее, тем больше его энергия связи, определяемая работой, которую необходимо совершить, чтобы разделить нуклоны и удалить их друг от друга на такие расстояния, при которых взаимодействие становится равным нулю. С возрастанием размера ядра энергия связи уменьшается. Так, ядра элементов, находящихся в конце таблицы Менделеева, неустойчивы и могут распадаться. Такой процесс часто называется радиоактивным распадом .
Взаимодействие между атомами и молекулами имеет преимущественно электромагнитную природу. Таким взаимодействием объясняется образование различных агрегатных состояний вещества: твердого, жидкого и газообразного. Например, между молекулами вещества в твердом состоянии взаимодействие в виде притяжения проявляется гораздо сильнее, чем между теми же молекулами в газообразном состоянии.
Одним из величайших достижений физики за последние два тысячелетия стало выделение и определение четырех видов взаимодействия, которые правят вселенной. Все они могут быть описаны на языке полей, которым мы обязаны Фарадею. К несчастью, однако, ни один из четырех видов не обладает в полной мере свойствами силовых полей, описанных в большинстве фантастических произведений. Перечислим эти виды взаимодействия.
1. Гравитация. Безмолвная сила, не позволяющая нашим ногам оторваться от опоры. Она не дает рассыпаться Земле и звездам, помогает сохранить целостность Солнечной системы и Галактики. Без гравитации вращение планеты вышвырнуло бы нас с Земли в космос со скоростью 1000 миль в час. Проблема в том, что свойства гравитации в точности противоположны свойствам фантастических силовых полей. Гравитация - сила притяжения, а не отталкивания; она чрезвычайно слаба - относительно, разумеется; она работает на громадных, астрономических расстояниях. Другими словами, являет собой почти полную противоположность плоскому, тонкому, непроницаемому барьеру, который можно встретить едва ли не в любом фантастическом романе или фильме. К примеру, перышко к полу притягивает целая планета - Земля, но мы легко можем преодолеть притяжение Земли и поднять перышко одним пальцем. Воздействие одного нашего пальца способно преодолеть силу притяжения целой планеты, которая весит больше шести триллионов килограммов.
2. Электромагнетизм (ЭМ). Сила, освещающая наши города. Лазеры, радио, телевидение, современная электроника, компьютеры, Интернет, электричество, магнетизм - все это следствия проявления электромагнитного взаимодействия. Возможно, это самая полезная сила, которую удалось обуздать человечеству на протяжении всей его истории. В отличие от гравитации она может работать и на притяжение, и на отталкивание. Однако и она не годится на роль силового поля по нескольким причинам. Во-первых, ее можно легко нейтрализовать. К примеру, пластик или любой другой непроводящий материал без труда проникнет в мощное электрическое или магнитное поле. Кусок пластика, брошенный в магнитное поле, свободно пролетит его насквозь. Во-вторых, электромагнетизм действует на больших расстояниях, его непросто сосредоточить в плоскости. Законы ЭМ-взаимодействия описываются уравнениями Джеймса Клерка Максвелла, и похоже, силовые поля не являются решением этих уравнений.
3 и 4. Сильные и слабые ядерные взаимодействия. Слабое взаимодействие - это сила радиоактивного распада, та, что разогревает радиоактивное ядро Земли. Эта сила стоит за извержениями вулканов, землетрясениями и дрейфом континентальных плит. Сильное взаимодействие не дает рассыпаться ядрам атомов; оно обеспечивает энергией солнце и звезды и отвечает за освещение Вселенной. Проблема в том, что ядерное взаимодействие работает только на очень маленьких расстояниях, в основном в пределах атомного ядра. Оно так прочно связано со свойствами самого ядра, что управлять им чрезвычайно трудно. В настоящее время нам известно только два способа влиять на это взаимодействие: мы можем разбить субатомную частицу на части в ускорителе или взорвать атомную бомбу.
Хотя защитные поля в научной фантастике и не подчиняются известным законам физики, все же существуют лазейки, которые в будущем, вероятно, сделают создание силового поля возможным. Во-первых, существует, возможно, пятый вид фундаментального взаимодействия, который никому до сих пор не удалось увидеть в лаборатории. Может оказаться, к примеру, что это взаимодействие работает только на расстояниях от нескольких дюймов до фута - а не на астрономических расстояниях. (Правда, первые попытки обнаружить пятый вид взаимодействия дали отрицательные результаты.)
Во-вторых, нам, возможно, удастся заставить плазму имитировать некоторые свойства силового поля. Плазма - это «четвертое состояние вещества». Три первые, привычные нам состояния вещества, - твердое, жидкое и газообразное; тем не менее самой распространенной формой вещества во вселенной является плазма: газ, состоящий из ионизированных атомов. Атомы в плазме не связаны между собой и лишены электронов, а потому обладают электрическим зарядом. Ими можно без труда управлять при помощи электрического и магнитного полей.
Видимое вещество вселенной существует по большей части в форме различного рода плазмы; из нее образованы солнце, звезды и межзвездный газ. В обычной жизни мы почти не сталкиваемся с плазмой, потому что на Земле это явление редкое; тем не менее плазму можно увидеть. Для этого достаточно взглянуть на молнию, солнце или экран плазменного телевизора.
Способность к взаимодействию – важнейшее и неотъемлемое свойство материи. Именно взаимодействия обеспечивают объединение различных материальных объектов мега-, макро- и микромира в системы. Все известные современной науке силы сводятся к четырем типам взаимодействий, которые называются фундаментальными: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное.
Гравитационное взаимодействие впервые стало объектом изучения физики в XVII в. Теория гравитации И. Ньютона, основу которой составляет закон всемирного тяготения, стала одной из составляющих классической механики. Любая материальная частица является источником гравитационного воздействия и испытывает его на себе. По мере увеличения массы, гравитационные взаимодействия возрастают, т.е. чем больше масса взаимодействующих веществ, тем сильнее действуют гравитационные силы. Силы гравитации – это силы притяжения. Гравитационное взаимодействие – наиболее слабое из ныне известных. Гравитационная сила действует на очень больших расстояниях, ее интенсивность с увеличением расстояния убывает, но не исчезает полностью. Считается, что переносчиком гравитационного взаимодействия является гипотетическая частица гравитон. В микромире гравитационное взаимодействие не играет существенной роли, однако в макро- и особенно мегапроцессах ему принадлежит ведущая роль.
Электромагнитное взаимодействие стало предметом изучения в физике XIX в. Первой единой теорией электромагнитного поля выступила концепция Дж. Максвелла. Электромагнитные взаимодействия существуют только между заряженными частицами: электрическое поле – между двумя покоящимися заряженными частицами, магнитное – между двумя движущимися заряженными частицами. Электромагнитные силы могут быть как силами притяжения, так и силами отталкивания. Одноименно заряженные частицы отталкиваются, разноименно – притягиваются. Переносчиками этого типа взаимодействия являются фотоны. Электромагнитное взаимодействие проявляется в микро-, макро- и мегамире.
В середине XX в. была создана квантовая электродинамика – теория электромагнитного взаимодействия, которая описывает взаимодействие заряженных частиц – электронов и позитронов. В 1965 г. ее авторы С. Томанага, Р. Фейнман и Дж. Швингер были удостоены Нобелевской премии.
Слабое взаимодействие было открыто только в XX в., в 60-е гг. построена общая теория слабого взаимодействия. Слабое взаимодействие связано с распадом частиц, поэтому его открытие последовало только вслед за открытием радиоактивности. Физик В. Паули предположил, что в процессе радиоактивного распада вещества вместе с электроном выделяется частица, обладающая высокой проникающей способностью. Позже эта частица была названа «нейтрино». Оказалось, что в результате слабых взаимодействий нейтроны, входящие в состав атомного ядра, распадаются на три типа частиц: положительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные нейтрино. Слабое взаимодействие значительно меньше электромагнитного, но больше гравитационного, и в отличие от них распространяется на небольших расстояниях – не более 10 –22 см. Именно поэтому долгое время слабое взаимодействие экспериментально не наблюдалось. Переносчиками слабого взаимодействия являются бозоны.
В 70-е гг. XX в. была создана общая теория электромагнитного и слабого взаимодействия, получившая название теории электрослабого взаимодействия. Ее создатели С. Вайнберг, А. Сапам и С. Глэшоу в 1979 г. получили Нобелевскую премию. Теория электрослабого взаимодействия рассматривает два типа фундаментальных взаимодействий как проявления единого, более глубокого. Так, на расстояниях более 10 –17 см преобладает электромагнитный аспект явлений, на меньших расстояниях в одинаковой степени важны и электромагнитный, и слабый аспекты. Создание рассматриваемой теории означало, что объединенные в классической физике XIX в., в рамках теории Фарадея–Максвелла электричество, магнетизм и свет, в последней трети XX в. дополнились феноменом слабого взаимодействия.
Сильное взаимодействие также было открыто только в XX в. Оно удерживает протоны в ядре атома, не позволяя им разлететься под действием электромагнитных сил отталкивания. Сильное взаимодействие осуществляется на расстояниях не более чем 10 –13 см и отвечает за устойчивость ядер. Ядра элементов, находящихся в конце таблицы Д.И. Менделеева, неустойчивы, поскольку их радиус велик и, соответственно, сильное взаимодействие теряет свою интенсивность. Такие ядра подвержены распаду, который и называется радиоактивным. Сильное взаимодействие ответственно за образование атомных ядер, в нем участвуют только тяжелые частицы: протоны и нейтроны. Ядерные взаимодействия не зависят от заряда частиц, переносчиками этого типа взаимодействий являются глюоны. Глюоны объединены в глюонное поле (по аналогии с электромагнитным), благодаря которому и осуществляется сильное взаимодействие. По своей мощи сильное взаимодействие превосходит другие известные и является источником огромной энергии. Примером сильного взаимодействия выступают термоядерные реакции на Солнце и других звездах. Принцип сильного взаимодействия использован при создании водородного оружия.
Теорию сильного взаимодействия называют квантовой хромодинамикой. Согласно этой теории сильное взаимодействие есть результат обмена глюонами, в результате чего обеспечивается связь кварков в адронах. Квантовая хромодинамика продолжает развиваться, ее нельзя пока считать законченной концепцией сильного взаимодействия, но она имеет прочную экспериментальную базу.
В современной физике продолжаются поиски единой теории, которая позволила бы объяснить все четыре типа фундаментальных взаимодействий. Создание подобной теории означало бы также построение единой концепции элементарных частиц. Этот проект получил название «Великое объединение». Основанием для убежденности, что такая теория возможна, является то обстоятельство, что на малых расстояниях (менее 10 –29 см) и при большой энергии (более 10 14 ГэВ) электромагнитные, сильные и слабые взаимодействия описываются одинаковым образом, что означает общность их природы. Однако этот вывод имеет только теоретический характер, проверить его экспериментально пока не удалось.
Важную роль в понимании механизмов взаимодействия элементарных частиц, их образования и распада сыграли законы сохранения. Помимо законов сохранения, действующих в макромире (закона сохранения энергии, закона сохранения импульса и закона сохранения момента импульса), в физике микромира были обнаружены новые: закон сохранения барионного, лептонного зарядов и др.
Сегодня мне хочется рассказать Вам о фундаментальных силах или взаимодействиях. Вы узнаете, что это вообще такое, сколько их и зачем они нужны.
Ну что, поехали!
Что такое фундаментальные силы?
В нашей Вселенной существует множество физических сил и взаимодействий. Например, сила трения, ядерные реакции и химические связи. Но все они вторичны, кроме неких четырёх взаимодействий. Их и называют "фундаментальными". Они являются типами взаимодействия элементарных частиц и определяют все остальные силы в природе.
В самом начале жизни Вселенной было одно фундаментальное взаимодействие. Но так продлилось недолго. Уже к концу первой секунды после единая фундаментальная сила разделилась на четыре отдельных взаимодействия: сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное. Рассмотрим их всех.
Сильное взаимодействие.
Вы никогда не задумывались, почему атомы большинства химических элементов стабильны? Казалось бы, что тут сложного. Однако, в 30-х годах прошлого века, поиск ответа на данный вопрос заставил учёных попотеть.
Из школьного курса физики и химии Вам наверняка известно, что атом состоит из двух частей: ядра и вращающихся вокруг него электронов. Ядро, в свою очередь, состоит из "нуклонов" - протонов и нейтронов.
Атом электрически нейтрален. Но в его ядре есть только положительно и нейтрально заряженные частицы - протоны и нейтроны. Общеизвестно, что притягиваться друг к другу могут только разноимённо заряженные тела - иными словами, "плюс" к "минусу". Следовательно, протоны и нейтроны должны отталкиваться друг от друга. Однако в реальности атомы ядра таки существуют и в ус не дуют. В чём же причина?
"Может быть, всё дело в гравитации?" - подумали тогда физики. Оказалось, что нет. Гравитационное взаимодействие, будучи самым слабым из всех, не могло бы противостоять электромагнитным силам.
Значит, существует некая достаточно мощная сила, связывающая нуклоны в стабильные атомы ядра. Её и называют "сильным взаимодействием". Впоследствии выяснилось, что оно также связывает кварки (представителей одной из групп фундаментальных частиц) в составные частицы под названием "адроны" - например, те же протоны и нейтроны.
В сильном взаимодействии участвуют кварки, адроны и глюоны. Глюоны не обладают массой и являются переносчиками сильного взаимодействия. Ими обмениваются кварки и тем самым реализуют эту фундаментальную силу.
Сильное ядерное взаимодействие является самым мощным в природе. Оно в тысячу раз сильнее электромагнитного и в 100.000 раз - "слабого ядерного", а гравитацию превосходит по мощи аж в 10 39 (10 в 39 степени) раз.
Сильное взаимодействие жестокое - из-за него учёные не могут наблюдать кварки в свободном состоянии. Эти бедные частицы навеки заключены в адроны. Оказалось, что чем дальше кварки друг от друга, тем сильнее они притягиваются. Поэтому данные частицы никогда не наблюдаются одиноко блуждающими по пространству и существуют только в адронах.
Электромагнетизм.
В электромагнитном взаимодействии участвуют все тела и частицы, которые обладают электрическим зарядом. Однако, есть и исключения - могут участвовать нейтральные частицы, но состоящие из заряженных. Ярким примером является нейтрон. Он обладает нейтральным зарядом, но состоит из заряженных кварков.
Электромагнитное взаимодействие осуществляется между заряженными частицами посредством электромагнитного поля. Его квантом (фундаментальной частицей) является фотон - по совместительству, тролль всея мироздания.
Электромагнетизм и заключается в том, что заряженные частицы взаимодействуют друг с другом, обмениваясь фотонами.
Электромагнитные силы появляются в виде сил и притяжения (тело с положительным зарядом притягивается к отрицательно заряженному), и отталкивания.
Данное взаимодействие играет очень важную роль в природе за счёт своего взаимодействия. Оно определяет структуру молекул (химические связи) и электронных оболочек в атомах. Поэтому к электромагнетизму сводится очень много вещей.
Большинство привычных физических сил, которые рассматривает "классическая механика" Ньютона - сила трения, упругости, поверхностного натяжения и т.д. - имеют электромагнитную природу.
Электромагнитные силы также определяют большую часть физических свойств тел макромира, а также их изменение при переходе из одного агрегатного состояния в другое. Данное взаимодействие лежит в основе электрических, магнитных, оптических и химических явлений.
Слабые ядерные силы.
Слабое взаимодействие проявляется на расстояниях, значительно меньше атомного ядра. Оно слабее двух вышеописанных фундаментальных сил, но сильнее гравитации.
В слабых ядерных силах участвуют две группы фундаментальных частиц (лептоны и кварки) и адроны. В процессе слабого взаимодействия частицы обмениваются "переносчиками" - W- и Z-бозонами, которые довольно массивны, в отличие от безмассовых глюонов и фотонов.
Слабые ядерные силы играют важную роль в природе. Протекание термоядерных реакций в звёздах обусловлено именно данным взаимодействием. Иными словами, благодаря слабым ядерным силам горит Солнце и другие газовые светила.
Но это ещё не всё. Слабое взаимодействие ответственно за бета-распад атомных ядер. Данный процесс является одним из трёх видов радиоактивности. Он заключается в испускании ядром "бета-частиц": электронов или позитронов.
Благодаря слабому взаимодействию происходит т.н. "слабый распад". Это когда массивные частицы разделяются на более лёгкие. Важным частным случаем является распад нейтрона - он способен превратится в протон, электрон и антинейтрино.
Гравитация.
Универсальное фундаментальное взаимодействие. Ему подвержены все материальные тела - от элементарных частиц до громадных галактик. Данная фундаментальная сила является самой слабой из всех и выражается стремлением материальных тел друг к другу - притяжением.
Гравитация является дальнодействующей силой и управляет наиболее глобальными процессами во Вселенной. Благодаря ей звёзды и их скопления сгруппировались в галактики. Благодаря ей в туманностях формируются газовые светила, холодные куски камня в космосе группируются в планеты, а мячик, брошенный Вами вверх, обязательно упадёт вниз.
Гравитация морочит головы физиков уже несколько десятилетий. Она является предметом многолетнего конфликта двух основных физических теорий: квантовой механики и теории относительности. Но почему?
Дело в том, что общая теория относительности и квантовая физика построены на разных принципах и описывают данную фундаментальную силу по-разному.
Эйнштейн объяснил гравитацию как искривление самого пространства-времени из-за масс материальных тел. А квантовая физика "квантует" её - описывает как взаимодействие, у которого есть свои частицы-переносчики. Их называют "гравитонами".
В квантовой механике пространство-время не представлено "динамической переменной", т.е. не зависит от находящихся в нём тел и систем. А это вразрез идёт с теорией относительности.
Но что самое удивительное - несмотря на принципиальные различия, все эти две теории доказаны экспериментально. Квантовая механика прекрасно описывает микромир, а теория относительности - Вселенную в макроскопических масштабах.
Сейчас идут попытки объединить релятивистскую и квантовую физику и беспроблемно описать гравитацию. Тогда будет построена "теория всего", и главным кандидатом на получение данного титула является "теория струн", запутанная в край своими 11-ю измерениями.
Ну вот и всё!
Что такое фундаментальные взаимодействия?
14 оценок, Средняя оценка: 5 из 5
