Взаимодействие в физике - это воздействие тел или частиц друг на друга, приводящее к изменению их движения.
Близкодействие и дальнодействие (или действие на расстоянии). О том, как осуществляется взаимодействие тел, в физике издавна существовали две точки зрения. Первая из них предполагала наличие некоторого агента (например, эфира), через который одно тело передает свое влияние на другое, причем с конечной скоростью. Это теория близкодействия. Вторая предполагала, что взаимодействие между телами осуществляется через пустое пространство, не принимающее никакого участия в передаче взаимодействия, причем передача происходит мгновенно. Это теория дальнодействия. Она, казалось бы, окончательно победила после открытия Ньютоном закона всемирного тяготения. Так, например, считалось, что перемещение Земли должно сразу же приводить к изменению силы тяготения, действующей на Луну. Кроме самого Ньютона, позднее концепции дальнодействия придерживались Кулон и Ампер.
После открытия и исследования электромагнитного поля (см.Электромагнитное поле) теория дальнодействия была отвергнута, так как было доказано, что взаимодействие электрически заряженных тел осуществляется не мгновенно, а с конечной скоростью (равной скорости света: с = 3 108 м/с) и перемещение одного из зарядов приводит к изменению сил, действующих на другие заряды, не мгновенно, а спустя некоторое время. Возникла новая теория близкодействия, которая была затем распространена и на все другие виды взаимодействий. Согласно теории близкодействия взаимодействие осуществляется посредством соответствующих полей, окружающих тела и непрерывно распределенных в пространстве (т. е. поле является тем посредником, который передает действие одного тела на другое). Взаимодействие электрических зарядов - посредством электромагнитного поля, всемирное тяготение - посредством гравитационного поля.
На сегодняшний день физике известны четыре типа фундаментальных взаимодействий, существующих в природе (в порядке возрастания интенсивности): гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное взаимодействия.
Фундаментальными называются взаимодействия, которые нельзя свести к другим типам взаимодействий.
|
||||||||||||||||||||
Фундаментальные взаимодействия отличаются интенсивностью и радиусом действия (см. табл. 1.1). Под радиусом действия понимают максимальное расстояние между частицами, за пределами которого их взаимодействием можно пренебречь.
По радиусу действия фундаментальные взаимодействия делятся надальнодействуюгцие {гравитационное и электромагнитное) икороткодействующие (слабое и сильное) (см. табл. 1.1).
Гравитационное взаимодействие универсально: в нем участвуют все тела в природе - от звезд, планет и галактик до микрочастиц: атомов, электронов, ядер. Его радиус действия равен бесконечности. Однако как для элементарных частиц микромира, так и для окружающих нас предметов макромира силы гравитационного взаимодействия настолько малы, что ими можно пренебречь (см. табл. 1.1). Оно становится заметным с увеличением массы взаимодействующих тел и потому определяющим в поведении небесных тел и образовании и эволюции звезд.
Слабое взаимодействие присуще всем элементарным частицам, кроме фотона. Оно отвечает за большинство ядерных реакций распада и многие превращения элементарных частиц.
Электромагнитное взаимодействие определяет структуру вещества, связывая электроны и ядра в атомах и молекулах, объединяя атомы и молекулы в различные вещества. Оно определяет химические и биологические процессы. Электромагнитное взаимодействие является причиной таких явлений, как упругость, трение, вязкость, магнетизм и составляет природу соответствующих сил. На движение макроскопических электронейтральных тел оно существенного влияния не оказывает.
Сильное взаимодействие осуществляется между адронами, именно оно удерживает нуклоны в ядре.
В 1967 г. Шелдон Глэшоу, Абдус Салам и Стивен Вайнберг создали теорию, объединяющую электромагнитное и слабое взаимодействия в единое электрослабое взаимодействие с радиусом действия 10~17 м, в пределах которого исчезает различие между слабым и электромагнитным взаимодействиями.
В настоящее время выдвинута теория великого объединения, согласно которой существуют лишь два типа взаимодействий: объединенное, куда входятсильное, слабое и электромагнитное взаимодействия, и гравитационное взаимодействие.
Есть также предположение, что все четыре взаимодействия являются частными случаями проявления единого взаимодействия.
В механике взаимное действие тел друг на друга характеризуется силой (см.Сила). Более общей характеристикой взаимодействия является потенциальная энергия (см. Потенциальная энергия).
Силы в механике делятся на гравитационные, упругости и трения. Как уже упоминалось выше, природа механических сил обусловлена гравитационным и электромагнитным взаимодействиями. Только эти взаимодействия можно рассматривать как силы в смысле механики Ньютона. Сильные (ядерные) и слабые взаимодействия проявляются на таких малых расстояниях, при которых законы механики Ньютона, а вместе с ними и понятие механической силы теряют смысл. Поэтому термин «сила» в этих случаях следует воспринимать как «взаимодействие».
1.1. Гравитация.
1.2. Электромагнетизм.
1.3. Слабое взаимодействие.
1.4. Проблема единства физики.
2. Классификация элементарных частиц.
2.1. характеристика субатомных частиц.
2.2. лептоны.
2.3. Адроны.
2.4. Частицы – переносчики взаимодействий.
3. Теории элементарных частиц.
3.1. Квантовая электродинамика.
3.2. Теория кварков.
3.3. Теория электрослабого взаимодействия.
3.4. Квантовая хромодинамика.
3.5. На пути к великому объединению.
Список литературы.
Введение.
В середине и второй половине ХХ века в тех разделах физики, которые заняты изучением фундаментальной структуры материи, были получены поистине удивительные результаты. Прежде всего это проявилось в открытии целого множества новых субатомных частиц. Их обычно называют элементарными частицами, но далеко не все из них действительно элементарны. Многие из них в свою очередь состоят из еще более элементарных частичек. Мир субатомных частиц поистине многообразен. К ним относятся протоны и нейтроны, составляющие атомные ядра, а также обращающиеся вокруг ядер электроны. Но есть и такие частицы, которые в окружающем нас веществе практически не встречаются. Время их жизни чрезвычайно мало, оно составляет мельчайшие доли секунды. По истечении этого чрезвычайно короткого времени они распадаются на обычные частицы. Таких нестабильных короткоживущих частиц поразительно много: их известно уже несколько сотен. В 60-70-е годы физики были совершенно сбиты с толку многочисленностью, разнообразием и необычностью вновь открытых субатомных частиц. Казалось, им не будет конца. Совершенно непонятно, для чего столько частиц. Являются ли эти элементарные частицы хаотическими и случайными осколками материи? Или, возможно, они таят в себе ключ к познанию структуры Вселенной? Развитие физики в последующие десятилетия показало, что в существовании такой структуры нет никаких сомнений. В конце ХХ в. физика начинает понимать, каково значение каждой из элементарных частиц. Миру субатомных частиц присущ глубокий и рациональный порядок. В основе этого порядка - фундаментальные физические взаимодействия.
1.Фундаментальные физические взаимодействия.
В свой повседневной жизни человек сталкивается с множеством сил, действующих на тела. Здесь и сила ветра или набегающего потока воды, давление воздуха, мощный выброс взрывающихся химических веществ, мускульная сила человека, вес тяжелых объектов, давление квантов света, притяжение и отталкивание электрических зарядов, сейсмические волны, вызывающие подчас катастрофические разрушения, и вулканические извержения, приводившие к гибели цивилизации, и т. д. Одни силы действуют непосредственно при контакте с телом, другие, например, гравитация, действуют на расстоянии, через пространство. Но, как выяснилось в результате развития теоретического естествознания, несмотря на столь большое разнообразие, все действующие в природе силы можно свести всего лишь к четырем фундаментальным взаимодействиям. Именно эти взаимодействия в конечном счете отвечают за все изменения в мире, именно они являются источником всех преобразований тел и процессов. Изучение свойств фундаментальных взаимодействий составляет главную задачу современной физики.
Гравитация.
В истории физики гравитация (тяготение) стала первым из четырех фундаментальных взаимодействий предметом научного исследования. После появления в ХVII в. ньютоновской теории гравитации - закона всемирного тяготения - удалось впервые осознать истинную роль гравитации как силы природы. Гравитация обладает рядом особенностей, отличающих ее от других фундаментальных взаимодействий. Наиболее удивительной особенностью гравитации является ее малая интенсивность. Величина гравитационного взаимодействия между компонентами атома водорода составляет 10n , где n = - 3 9 , от силы взаимодействия электрических зарядов. (Если бы размеры атома водорода определялись гравитацией, а не взаимодействием между электрическими зарядами, то низшая (самая близкая к ядру) орбита электрона по размерам превосходила бы доступную наблюдению часть Вселенной!) (Если бы размеры атома водорода определялись гравитацией, а не взаимодействием между электрическими зарядами, то низшая (самая близкая к ядру) орбита электрона по размерам превосходила бы доступную наблюдению часть Вселенной!). Может показаться удивительным, что мы вообще ощущаем гравитацию, коль скоро она так слаба. Как она может оказаться господствующей силой во Вселенной? Все дело во второй удивительной черте гравитации - ее универсальности. Ничто во Вселенной не избавлено от гравитации. Каждая частица испытывает на себе действие гравитации и сама является источником гравитации. Поскольку каждая частица вещества вызывает гравитационное притяжение, гравитация возрастает по мере образования все больших скоплений вещества. Мы ощущаем гравитацию в повседневной жизни потому, что все атомы Земли сообща притягивают нас. И хотя действие гравитационного притяжения одного атома пренебрежимо мало, но результирующая сила притяжения со стороны всех атомов может быть значительной. Гравитация - дальнодействующая сила природы. Это означает, что, хотя интенсивность гравитационного взаимодействия убывает с расстоянием, оно распространяется в пространстве и может сказываться на весьма удаленных от источника телах. В астрономическом масштабе гравитационное взаимодействие, как правило, играет главную роль. Благодаря дальнодействию гравитация не позволяет Вселенной развалиться на части: она удерживает планеты на орбитах, звезды в галактиках, галактики в скоплениях, скопления в Метагалактике. Сила гравитации, действующая между частицами, всегда представляет собой силу притяжения: она стремится сблизить частицы. Гравитационное отталкивание никогда еще не наблюдалось (Хотя в традициях квазинаучной мифологии есть целая область, которая называется левитация - поиск "фактов" антигравитации). Поскольку энергия, запасенная в любой частице, всегда положительна и наделяет ее положительной массой, частицы под действием гравитации всегда стремятся сблизиться. Чем является гравитация, неким полем или проявлением искривления пространства-времени, - на этот вопрос пока еще однозначного ответа нет. Как уже отмечалось нами, существуют разные мнения и концепции физиков на сей счет.
Электромагнетизм.
По величине электрические силы намного превосходят гравитационные. В отличие от слабого гравитационного взаимодействия, электрические силы, действующие между телами обычных размеров, можно легко наблюдать. Электромагнетизм известен людям с незапамятных времен (полярные сияния, вспышки молнии и др.). В течение долгого времени электрические и магнитные процессы изучались независимо друг от друга. Как мы уже знаем, решающий шаг в познании электромагнетизма сделал в середине XIX в. Дж. К. Максвелл, объединивший электричество и магнетизм в единой теории электромагнетизма - первой единой теории поля. Существование электрона было твердо установлено в 90-e годы прошлого столетия. Ныне известно, что электрический заряд любой частицы вещества всегда кратен фундаментальной единице заряда - своего рода "атому" заряда. Почему это так - чрезвычайно интересный вопрос. Однако не все материальные частицы являются носителями электрического заряда. Например, фотон и нейтрино электрически нейтральны. В этом отношении электричество отличается от гравитации. Все материальные частицы создают гравитационное поле, тогда как с электромагнитным полем связаны только заряженные частицы. Как и электрические заряды, одноименные магнитные полюса отталкиваются, а разноименные - притягиваются. Однако в отличие от электрических зарядов магнитные полюса встречаются не по отдельности, а только парами - северный полюс и южный полюс. Еще с древнейших времен известны попытки получить посредством разделения магнита лишь один изолированный магнитный полюс - монополь. Но все они заканчивались неудачей. Может быть, существование изолированных магнитных полюсов в природе исключено? Определенного ответа на этот вопрос пока не существует. Некоторые теоретические концепции допускают возможность существования монополя. Как электрическое и гравитационное взаимодействия, взаимодействие магнитных полюсов подчиняется закону обратных квадратов. Следовательно, электрическая и магнитная силы "дальнодействующие", и их действие ощутимо на больших расстояниях от источника. Так, магнитное поле Земли простирается далеко в космическое пространство. Мощное магнитное поле Солнца заполняет всю Солнечную систему. Существуют и галактические магнитные поля. Электромагнитное взаимодействие определяет структуру атомов и отвечает за подавляющее большинство физических и химических явлений и процессов (за исключением ядерных).
Слабое взаимодействие.
К выявлению существования слабого взаимодействия физика продвигалась медленно. Слабое взаимодействие ответственно за распады частиц; и поэтому с его проявлением столкнулись с открытием радиоактивности и исследованием бета-распада. У бета-распада обнаружилась в высшей степени странная особенность. Исследования приводили к выводу, что в этом распаде нарушается один из фундаментальных законов физики - закон сохранения энергии. Казалось, что в этом распаде часть энергии куда-то исчезала. Чтобы "спасти" закон сохранения энергии, В. Паули предположил, что вместе с электроном при бета -распаде вылетает еще одна частица. Она - нейтральная и обладающая необычайно высокой проникающей способностью, вследствие чего ее не удавалось наблюдать. Э. Ферми назвал частицу-невидимку "нейтрино". Но предсказание и обнаружение нейтрино - это только начало проблемы, ее постановка. Нужно было объяснить природу нейтрино, но здесь оставалось много загадочного. Дело в том, что и электроны и нейтрино испускались нестабильными ядрами. Но было неопровержимо доказано, что внутри ядер таких частиц нет. Как же они возникали? Было высказано предположение, что электроны и нейтрино не существуют в ядре в "готовом виде", а каким-то образом образуются из энергии радиоактивного ядра. Дальнейшие исследования показали, что входящие в состав ядра нейтроны, предоставленные самим себе, через несколько минут распадаются на протон, электрон и нейтрино, т.е. вместо одной частицы появляются три новые. Анализ приводил к выводу, что известные силы не могут вызвать такой распад. Он, видимо, порождался какой-то иной, неизвестной силой. Исследования показали, что этой силе соответствует некоторое слабое взаимодействие. Оно гораздо слабее электромагнитного, хотя и сильнее гравитационного. Оно распространяется на очень незначительных расстояниях. Радиус слабого взаимодействия очень мал. Слабое взаимодействие прекращается на расстоянии, большем 10n см (где n = - 1 6) от источника и потому не может влиять на макроскопические объекты, а ограничивается отдельными субатомными частицами. Впоследствии выяснилось, что большинство нестабильных элементарных частиц участвует в слабом взаимодействии. Теория слабого взаимодействия была создана в конце б0-х годов С. Вайнбергом и А. Саламом. С момента построения Максвеллом теории электромагнитного поля создание этой теории явилось самым крупным шагом на пути к единству физики. 10.
Сильное взаимодействие.
Последнее в ряду фундаментальных взаимодействий - сильное взаимодействие, которое является источником огромной энергии. Наиболее характерный пример энергии, высвобождаемой сильным взаимодействием, - это наше Солнце. В недрах Солнца и звезд, начиная с определенного времени, непрерывно протекают термоядерные реакции, вызываемые сильным взаимодействием. Но и человек научился высвобождать сильное взаимодействие: создана водородная бомба, сконструированы и совершенствуются технологии управляемой термоядерной реакции. К представлению о существовании сильного взаимодействия физика шла в ходе изучения структуры атомного ядра. Какая-то сила должна удерживать протоны в ядре, не позволяя им разлетаться под действием электростатического отталкивания. Гравитация для этого слишком слаба; очевидно, необходимо какое-то новое взаимодействие, причем, более сильное, чем электромагнитное. Впоследствии оно было обнаружено. Выяснилось, что хотя по своей величине сильное взаимодействие существенно превосходит все остальные фундаментальные взаимодействия, но за пределами ядра оно не ощущается. Радиус действия новой силы оказался очень малым. Сильное взаимодействие резко падает на расстоянии от протона или нейтрона, превышающем примерно 10n см (где n = - 13). Кроме того, выяснилось, что сильное взаимодействие испытывают не все частицы. Его испытывают протоны и нейтроны, но электроны, нейтрино и фотоны не подвластны ему. В сильном взаимодействии участвуют только более тяжелые частицы. Теоретическое объяснение природы сильного взаимодействия развивалось трудно. Прорыв наметился в начале 60-х годов, когда была предложена кварковая модель. В этой теории нейтроны и протоны рассматриваются не как элементарные частицы, а как составные системы, построенные из кварков. Таким образом, в фундаментальных физических взаимодействиях четко прослеживается различие сил дальнодействующих и близкодействующих. С одной стороны, имеют место взаимодействия неограниченного радиуса действия (гравитация, электромагнетизм), а с другой - взаимодействия малого радиуса действия (сильное и слабое). Мир физических элементов в целом развертывается в единстве этих двух полярностей и является воплощением единства предельно малого и предельно большого - близкодействия в микромире и дальнодействия во всей Вселенной.
Проблема единства физики.
Познание есть обобщение действительности, и поэтому цель науки - поиск единства в природе, связывание разрозненных фрагментов знания в единую картину. Для того чтобы создать единую систему, нужно открыть связующее звено между различными отраслями знания, некоторое фундаментальное отношение. Поиск таких связей и отношений - одна из главных задач научного исследования. Всякий раз, когда удается установить такие новые связи, значительно углубляется понимание окружающего мира, формируются новые способы познания, которые указывают путь к не известным ранее явлениям. Установление глубинных связей между различными областями природы - это одновременно и синтез знания, и метод, направляющий научные исследования по новым, непроторенным дорогам. Выявление Ньютоном связи между притяжением тел в земных условиях и движением планет ознаменовало собой рождение классической механики, на основе которой построена технологическая база современной цивилизации. Установление связи термодинамических свойств газа с хаотическим движением молекул поставило на прочную основу атомно-молекулярную теорию вещества. В середине прошлого столетия Максвелл создал единую электромагнитную теорию, охватившую как электрические, так и магнитные явления. Затем в 20-х г. нашего века Эйнштейн предпринимал попытки объединить в единой теории электромагнетизм и гравитацию. Но к середине ХХ в. положение в физике радикально изменилось: были открыты два новых фундаментальных взаимодействия - сильное и слабое, т.е. при создании единой физики приходится считаться уже не с двумя, а с четырьмя фундаментальными взаимодействиями. Это несколько охладило пыл тех, кто надеялся на быстрое решение данной проблемы. Но сам замысел под сомнение всерьез не ставился, и увлеченность идеей единого описания не прошла. Существует точка зрения, что все четыре (или хотя бы три) взаимодействия представляют собой явления одной природы и должно быть найдено их единое теоретическое описание. Перспектива создания единой теории мира физических элементов на основе одного-единственного фундаментального взаимодействия остается весьма привлекательной. Это главная мечта физиков ХХ в. Но долгое время она оставалась лишь мечтой, и очень неопределенной. Однако во второй половине ХХ в. появились предпосылки осуществления этой мечты и уверенность, что это дело отнюдь не отдаленного будущего. Похоже, что вскоре она вполне может стать реальностью. Решающий шаг на пути к единой теории был сделан в 6О-70-х гг. с созданием сначала теории кварков, а затем и теории электрослабого взаимодействия. Есть основания для мнения, что мы стоим на пороге более могущественного и глубокого объединения, чем когда-либо ранее. Среди физиков усиливается убеждение, что начинают вырисовываться контуры единой теории всех фундаментальных взаимодействий - Великого объединения.
2 . Классификация элементарных частиц.
Издавна человек стремился познать и
понять окружающий его физический мир.
Оказывается, все бесконечное разнообразие
физических процессов, происходящих в нашем мире,
можно объяснить существованием в природе очень
малого количества фундаментальных
взаимодействий. Взаимодействием их друг с другом
объясняется упорядоченность расположения
небесных тел во Вселенной. Именно они являются
теми «стихиями», которые движут небесными
телами, порождают свет и делают возможной саму
жизнь (см. Приложение
).
Таким образом, все процессы и явления в природе,
будь то падение яблока, взрыв сверхновой звезды,
прыжок пингвина или радиоактивный распад
веществ, происходят в результате этих
взаимодействий.
Структура вещества этих тел стабильна благодаря
связям между составляющими его частицами.
1. ВИДЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ
Несмотря на то, что в веществе содержится
большое количество элементарных частиц,
существует лишь четыре вида фундаментальных
взаимодействий между ними: гравитационное,
слабое, электромагнитное и сильное.
Самым всеобъемлющим является гравитационное
взаимодействие
. Ему подвержены все
материальные взаимодействия без исключения – и
микрочастицы, и макротела. Это значит, что в нем
участвуют все элементарные частицы. Проявляется
оно в виде всемирного тяготения. Гравитация
(от лат. Gravitas – тяжесть) управляет
наиболее глобальными процессами во Вселенной, в
частности, обеспечивает строение и стабильность
нашей Солнечной системы. Согласно современным
представлениям, каждое из взаимодействий
возникает в результате обмена частицами,
называемыми переносчиками этого взаимодействия.
Гравитационное взаимодействие осуществляется
посредством обмена гравитонами
.
,
как и гравитационное, по своей природе
дальнодействующее: соответствующие силы могут
проявляться на очень значительных расстояниях.
Электромагнитное взаимодействие описывается
зарядами одного типа (электрическими), но эти
заряды уже могут иметь два знака – положительный
и отрицательный. В отличие от тяготения,
электромагнитные силы способны быть как силами
притяжения, так и силами отталкивания.
Физические и химические свойства разнообразных
веществ, материалов и самой живой ткани
обусловлены именно этим взаимодействием. Оно же
приводит в действие всю электрическую и
электронную аппаратуру, т.е. связывает между
собой только заряженные частицы. Теория
электромагнитного взаимодействия в макромире
называется классической электродинамикой.
Слабое взаимодействие
менее
известно за пределами узкого круга физиков и
астрономов, но это нисколько не умаляет его
значения. Достаточно сказать, что если бы его не
было, погасли бы Солнце и другие звезды, ибо в
реакциях, обеспечивающих их свечение, слабое
взаимодействие играет очень важную роль. Слабое
взаимодействие относится к короткодействующим:
его радиус примерно в 1000 раз меньше, чем у ядерных
сил.
Сильное взаимодействие
– самое
мощное из всех остальных. Оно определяет связи
только между адронами. Ядерные силы, действующие
между нуклонами в атомном ядре, – проявление
этого вида взаимодействия. Оно примерно в 100 раз
сильнее электромагнитного. В отличие от
последнего (а также гравитационного) оно,
во-первых, короткодействующее на расстоянии,
большем 10–15м (порядка размера ядра),
соответствующие силы между протонами и
нейтронами, резко уменьшаясь, перестают их
связывать друг с другом. Во-вторых, его удается
удовлетворительно описать только посредством
трех зарядов (цветов), образующих сложные
комбинации.
В таблице 1 условно представлены важнейшие
элементарные частицы, принадлежащие к основным
группам (адроны, лептоны, переносчики
взаимодействия).
Таблица 1
Участие основных элементарных частиц во взаимодействиях
Важнейшей характеристикой фундаментального взаимодействия является его радиус действия. Радиус действия – это максимальное расстояние между частицами, за пределами которого их взаимодействием можно пренебречь (Табл.2). При малом радиусе взаимодействие называют короткодействующим , при большом – дальнодействующим .
Таблица 2
Основные характеристики фундаментальных взаимодействий
Сильное и слабое взаимодействия являются короткодействующими . Их интенсивность быстро убывает при увеличении расстояния между частицами. Такие взаимодействия проявляются на небольшом расстоянии, недоступном для восприятия органами чувств. По этой причине эти взаимодействия были открыты позже других (лишь в XX веке) с помощью сложных экспериментальных установок. Электромагнитное и гравитационное взаимодействия являются дальнодействующими . Такие взаимодействия медленно убывают при увеличении расстояния между частицами и не имеют конечного радиуса действия.
2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ, КАК СВЯЗЬ СТРУКТУР ВЕЩЕСТВА
В атомном ядре связь протонов и нейтронов обуславливает сильное взаимодействие . Оно обеспечивает исключительную прочность ядра, лежащую в основе стабильности вещества в земных условиях.
Слабое взаимодействие в миллион раз менее интенсивно, чем сильное. Оно действует между большинством элементарных частиц, находящихся друг от друга на расстоянии, меньшем 10–17 м. Слабым взаимодействием определяется радиоактивный распад урана, реакции термоядерного синтеза на Солнце. Как известно, именно излучение Солнца является основным источником жизни на Земле.
Электромагнитное взаимодействие , являясь дальнодействующим, определяет структуру вещества за пределами радиуса действия сильного взаимодействия. Электромагнитное взаимодействие связывает электроны и ядра в атомах и молекулах. Оно объединяет атомы и молекулы в различные вещества, определяет химические и биологические процессы. Это взаимодействие характеризуется силами упругости, трения, вязкости, магнитными силами. В частности, электромагнитное отталкивание молекул, находящихся на малых расстояниях, вызывает силу реакции опоры, в результате чего мы, например, не проваливаемся сквозь пол. Электромагнитное взаимодействие не оказывает существенного влияния на взаимное движение макроскопических тел большой массы, так как каждое тело электронейтрально, т.е. оно содержит примерно одинаковое число положительных и отрицательных зарядов.
Гравитационное взаимодействие прямо пропорционально массе взаимодействующих тел. Из-за малости массы элементарных частиц гравитационное взаимодействие между частицами невелико по сравнению с другими видами взаимодействия, поэтому в процессах микромира это взаимодействие несущественно. При увеличении массы взаимодействующих тел (т.е. при увеличении числа содержащихся в них частиц) гравитационное взаимодействие между телами возрастает прямо пропорционально их массе. В связи с этим в макромире при рассмотрении движения планет, звезд, галактик, а также движения небольших макроскопических тел в их полях гравитационное взаимодействие становится определяющим. Оно удерживает атмосферу, моря и все живое и неживое на Земле, Землю, вращающуюся по орбите вокруг Солнца, Солнце в пределах Галактики. Гравитационное взаимодействие играет главную роль в процессах образования и эволюции звезд. Фундаментальные взаимодействия элементарных частиц изображаются с помощью специальных диаграмм, на которых реальной частице соответствует прямая линия, а ее взаимодействие с другой частицей изображается либо пунктиром, либо кривой (рис. 1).
Диаграммы взаимодействий элементарных частиц
Современные физические представления о фундаментальных взаимодействиях постоянно уточняются. В 1967 г. Шелдон Глэшоу , Абдус Салам и Стивен Вайнберг создали теорию, согласно которой электромагнитное и слабое взаимодействия представляют собой проявление единого электрослабого взаимодействия. Если расстояние от элементарной частицы меньше радиуса действия слабых сил (10–17 м), то различие между электромагнитным и слабым взаимодействиями исчезает. Таким образом, число фундаментальных взаимодействий сократилось до трех.
Теория «Великого объединения».
Некоторые физики, в частности, Г.Джорджи и
Ш.Глэшоу, предположили, что при переходе к более
высоким энергиям должно произойти еще одно
слияние – объединение электрослабого
взаимодействия с сильным. Соответствующие
теоретические схемы получили название Теории
«Великого объединения». И эта теория в настоящее
время проходит экспериментальную проверку.
Согласно этой теории, объединяющей сильное,
слабое и электромагнитное взаимодействия,
существует лишь два типа взаимодействий:
объединенное и гравитационное. Не исключено, что
все четыре взаимодействия являются лишь
частными проявлениям единого взаимодействия.
Предпосылки таких предположений
рассматриваются при обсуждении теории
возникновения Вселенной (теория Большого
Взрыва). Теория «Большого Взрыва» объясняет, как
комбинация вещества и энергии породила звезды и
галактики.
Фундаментальные взаимодействия
В природе существует огромное множество природных систем и структур, особенности и развитие которых объясняется взаимодействием материальных объектов, то есть взаимным действием друг на друга. Именно взаимодействие – это основная причина движения материи и оно свойственно всем материальным объектам вне зависимости от их происхождения и их системной организации . Взаимодействие универсально, как и движение. Взаимодействующие объекты обмениваются энергией и импульсом (это основные характеристики их движения). В классической физике взаимодействие определяется силой, с которой один материальный объект действует на другой. Долгое время парадигмой была концепция дальнодействия – взаимодействие материальных объектов, находящихся на большом расстоянии друг от друга и оно передается через пустое пространство мгновенно . В настоящее время экспериментально подтверждена другая – концепция близкодействия – взаимодействие передается при помощи физических полей с конечной скоростью, не превышающей скорости света в вакууме. Физическое поле – особый вид материи, обеспечивающей взаимодействие материальных объектов и их систем (следующие поля: электромагнитное, гравитационное, поле ядерных сил – слабое и сильное). Источником физического поля являются элементарные частицы (электромагнитного – заряженные частицы), в квантовой теории взаимодействие обусловлено обменом квантами поля между частицами.
Различают четыре фундаментальных взаимодействия в природе: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное, которые определяют структуру окружающего мира.
Сильное взаимодействие (ядерное взаимодействие) – взаимное притяжение составных частей атомных ядер (протонов и нейтронов)и действует на расстоянии порядка 10 -1 3 см, передается глюонами. С точки зрения электромагнитного взаимодействия протон и нейтрон – разные частицы, так как протон электрически заряжен, а нейтрон - нет. Но с точки зрения сильного взаимодействия, эти частицы неразличимы, так как в стабильном состоянии нейтрон является нестабильной частицей и распадается на протон, электрон и нейтрино, но в рамках ядра он становится похожим по своим свойствам с протоном, поэтому и был введен термин «нуклон (от лат. nucleus - ядро)» и протон с нейтроном стали рассматриваться как два различных состояния нуклона. Чем сильнее взаимодействие нуклонов в ядре, тем стабильнее ядро, тем больше удельная энергия связи.
В стабильном веществе взаимодействие между протонами и нейтронами при не слишком высоких температурах усиливается, но если происходит столкновение ядер или их частей (нуклонов, обладающих высокой энергией) тогда происходят ядерные реакции, которые сопровождаются выделением огромной энергией.
При определенных условиях сильное взаимодействие очень прочно связывает частицы в атомные ядра – материальные системы с высокой энергией связи. Именно по этой причине ядра атомов являются весьма устойчивыми, их трудно разрушить.
Без сильных взаимодействий не существовали бы атомные ядра, а звезды и Солнце не могли бы генерировать за счет ядерной энергии теплоту и свет.
Электромагнитное взаимодействие передается при помощи электрических и магнитных полей. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное при их движении. Изменяющееся электрическое поле порождает переменное магнитное – это и есть источник переменного магнитного поля. Взаимодействие такого типа свойственно электрически заряженным частицам. Носителем электромагнитного взаимодействия является не имеющий заряда фотон - квант электромагнитного поля. В процессе электромагнитного взаимодействия электроны и атомные ядра соединяются в атомы, атомы - в молекулы. В определенном смысле это взаимодействие является основным в химии и биологии.
Около 90% информации об окружающем мире мы получаем через электромагнитную волну, так как различные агрегатные состояния вещества, трение, упругость и т.п. определяются силами межмолекулярного взаимодействия, которые по своей природе электромагнитные. Электромагнитные взаимодействия описываются законами Кулона, Ампера и электромагнитной теорией Максвелла.
Электромагнитное взаимодействие – это основа создания различных электроприборов, радиоприемников, телевизоров, компьютеров и т.д. Оно примерно в тысячу раз слабее сильного, но значительно более дальнодействующее.
Без электромагнитных взаимодействий не было бы атомов, молекул, макрообъектов, тепла и света.
3. Слабое взаимодействие возможно между различными частицами, кроме фотона, оно является короткодействующим и проявляется на расстояниях, меньших размера атомного ядра 10 -15 – 10 -22 см. Слабое взаимодействие слабее сильного и процессы при слабом взаимодействии протекают медленнее, чем при сильном. Отвечает за распад нестабильных частиц (напр., превращения нейтрона в протон, электрон, антинейтрино). Именно благодаря этому взаимодействию, большинство частиц нестабильны. Переносчики слабого взаимодействия – вионы, частицы с массой в 100 раз больше массы протонов и нейтронов. За счет этого взаимодействия светит Солнце (протон превращается в нейтрон, позитрон, нейтрино, испускаемое нейтрино обладает огромной проницающей способностью).
Без слабых взаимодействий не были бы возможны ядерные реакции в недрах Солнца и звезд, не возникали бы новые звезды.
4. Гравитационное взаимодействие самое слабое, не учитывается в теории элементарных частиц, так как на характерных для них расстояниях (10 -13 см) эффекты малые, а на ультрамалых расстояниях (10 -33 см) и при ультрабольших энергиях гравитация приобретает значение и начинают проявляться необычные свойства физического вакуума.
Гравитация (от лат. gravitas - «тяжесть») - фундаментальное взаимодействие является дальнодействующим (это означает, что как бы массивное тело ни двигалось, в любой точке пространства гравитационный потенциал зависит только от положения тела в данный момент времени) и ему подвержены все материальные тела. В основном гравитация играет определяющую роль в космических масштабах, Мегамире.
В рамках классической механики, гравитационное взаимодействие описывается законом всемирного тяготения Ньютона, который гласит, что сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы m 1 и m 2 , разделёнными расстоянием R , есть
Где G - гравитационная постоянная.
Без гравитационных взаимодействий не было галактик, звезд, планет, эволюции Вселенной.
От силы взаимодействия зависит время, в течение которого совершается превращение элементарных частиц (при сильном взаимодействии ядерные реакции происходят в течение 10 -24 – 10 -23 с., при электромагнитном - изменения осуществляются в течение 10 -19 – 10 -21 с., при слабом распад в течение 10 -10 с.).
Все взаимодействия необходимы и достаточны для построения сложного и разнообразного материального мира, из них по мнению ученых можно получить суперсилу (при очень высоких температурах или энергиях все четыре взаимодействия объединяются в одно ).
В посвседневной жизни мы сталкиваемся с разнообразными силами, возникающими при столкновении тел, трении, взрыве, натяжении нити, сжатии пружины и т.д. Однако все перечисленные силы являются результатом электромагнитного взаимодействия атомов друг с другом. Теория электромагнитного взаимодействия была создана Максвеллом в 1863 г.
Другим давно известным взаимодействием является гравитационное взаимодействие между телами, обладающими массой. В 1915 г. Эйнштейн создал общую теорию относительности, связавшую гравитационное поле с искривлением пространства-времени.
В 1930-е гг. было обнаружено, что ядра атомов состоят из нуклонов, причем ни электромагнитные, ни гравитационные взаимодействия не могут объяснить, что удерживает нуклоны в ядре. Для описания взаимодействия нуклонов в ядре было предложено сильное взаимодействие.
При продолжении изучения микромира выяснилось, что некоторые явления не описываются тремя типами взаимодействия. Поэтому для описания распада нейтрона и других подобных процессов было предложено слабое взаимодействие.
Сегодня все известные в природе силы являются продуктом четырех фундаментальных взаимодействий , которые можно расположить по убыванию интенсивности в следующем порядке:
- 1) сильное взаимодействие;
- 2) электромагнитное взаимодействие;
- 3) слабое взаимодействие;
- 4) гравитационное взаимодействие.
Фундаментальные взаимодействия переносятся элементарными частицами - переносчиками фундаментальных взаимодействий. Эти частицы называют калибровочными бозонами. Процесс фундаментальных взаимодействий тел можно представить следующим образом. Каждое из тел испускает частицы - переносчики взаимодействий, которые поглощаются другим телом. При этом тела испытывают взаимное влияние.
Сильное взаимодействие может возникать между протонами, нейтронами и прочими адронами (см. ниже). Оно является короткодействующим и характеризуется радиусом действия сил порядка 10 15 м. Переносчиком сильного взаимодействия между адронами являются пионы , причем длительность протекания взаимодействия составляет порядка 10 23 с.
Электромагнитное взаимодействие имеет на четыре порядка меньшую интенсивность по сравнению с сильным взаимодействием. Оно возникает между заряженными частицами. Электромагнитное взаимодействие является длиннодействующим и характеризуется бесконечным радиусом действия сил. Переносчиком электромагнитного взаимодействия являются фотоны , причем длительность протекания взаимодействия составляет порядка 10“ 20 с.
Слабое взаимодействие имеет на 20 порядков меньшую интенсивность по сравнению с сильным взаимодействием. Оно может возникать между адронами и лептонами (см. ниже). В число лептонов входят, в частности, электрон и нейтрино. Примером слабого взаимодействия является рассмотренный выше p-распад нейтрона. Слабое взаимодействие является короткодействующим и характеризуется радиусом действия сил порядка 10 18 м. Переносчиком слабого взаимодействия являются векторные бозоны , причем длительность протекания взаимодействия составляет порядка 10 10 с.
Гравитационное взаимодействие имеет на 40 порядков меньшую интенсивность по сравнению с сильным взаимодействием. Оно возникает между всеми частицами. Гравитационное взаимодействие является длиннодействующим и характеризуется бесконечным радиусом действия сил. Переносчиком гравитационного взаимодействия, возможно, являются гравитоны. Эти частицы пока не найдены, что может быть связано с малой интенсивностью гравитационного взаимодействия. С ней связано и то, что из-за малости масс элементарных частиц данное взаимодействие в процессах ядер- ной физики несущественно.
В 1967 г. А. Саламом и С. Вайнбергом была предложена теория элект- рослабого взаимодействия , объединившая электромагнетное и слабое взаимодействия. В 1973 г. была создана теория сильного взаимодействия квантовая хромодинамика. Все это позволило создать стандартную модель элементарных частиц, описывающую электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия. Все три рассматриваемые здесь типа взаимодействия возникают как следствие постулата, что наш мир симметричен относительно трех типов калибровочных преобразований.