Взаимодействието във физиката е влиянието на тела или частици едно върху друго, което води до промяна в тяхното движение.
Близо и далечно действие (или действие на разстояние). Във физиката отдавна има две гледни точки за това как телата си взаимодействат. Първият от тях предполага наличието на някакъв агент (например етер), чрез който едно тяло предава влиянието си на друго, и с терминална скорост. Това е теорията за късото действие. Вторият предполага, че взаимодействието между телата става през празно пространство, което не участва в предаването на взаимодействието, а предаването става мигновено. Това е теорията за далечното действие. Тя изглежда най-накрая спечели, след като Нютон откри закона универсална гравитация. Например, смяташе се, че движението на Земята трябва незабавно да доведе до промяна в гравитационната сила, действаща на Луната. В допълнение към самия Нютон, концепцията за далечно действие по-късно се придържа към Кулон и Ампер.
След откриването и изследването на електромагнитното поле (вижте Електромагнитно поле), теорията за действието на далечни разстояния беше отхвърлена, тъй като беше доказано, че взаимодействието на електрически заредени тела не се случва моментално, а с крайна скорост ( еднаква скоростсветлина: c = 3 108 m/s) и движението на един от зарядите води до промяна в силите, действащи върху други заряди, не мигновено, а след известно време. възникна нова теориявзаимодействие на къси разстояния, което след това беше разширено за всички други видове взаимодействия. Според теорията за действието на къси разстояния взаимодействието се осъществява чрез съответните полета, обграждащи телата и непрекъснато разпределени в пространството (т.е. полето е посредникът, който предава действието на едно тяло на друго). Взаимодействие електрически заряди- чрез електромагнитно поле, универсална гравитация - чрез гравитационно поле.
Днес физиката познава четири типа фундаментални взаимодействиясъществуващи в природата (по нарастване на интензивността): гравитационни, слаби, електромагнитни и силно взаимодействие.
Фундаменталните взаимодействия са тези, които не могат да бъдат сведени до други видове взаимодействия.
|
||||||||||||||||||||
Фундаменталните взаимодействия се различават по интензивност и обхват на действие (виж таблица 1.1). Радиусът на действие е максималното разстояние между частиците, извън което тяхното взаимодействие може да бъде пренебрегнато.
Според радиуса на действие фундаменталните взаимодействия се разделят на далечни (гравитационни и електромагнитни) и къси (слаби и силни) (виж таблица 1.1).
Гравитационното взаимодействие е универсално: в него участват всички тела в природата - от звезди, планети и галактики до микрочастици: атоми, електрони, ядра. Обхватът му на действие е безкраен. Въпреки това, що се отнася до елементарни частицимикросвета, а за заобикалящите ни обекти в макросвета на властта гравитационно взаимодействиетолкова малки, че могат да бъдат пренебрегнати (виж таблица 1.1). То става забележимо с увеличаване на масата на взаимодействащите тела и следователно определя поведението небесни телаи образуването и еволюцията на звездите.
Слабото взаимодействие е присъщо на всички елементарни частици с изключение на фотона. Отговаря за мнозинството ядрени реакцииразпад и множество трансформации на елементарни частици.
Електромагнитното взаимодействие определя структурата на материята, свързвайки електрони и ядра в атоми и молекули, комбинирайки атоми и молекули в различни вещества. Той определя химични и биологични процеси. Електромагнитното взаимодействие е причина за такива явления като еластичност, триене, вискозитет, магнетизъм и съставлява природата на съответните сили. Не оказва съществено влияние върху движението на макроскопични електрически неутрални тела.
Силното взаимодействие възниква между адроните, които задържат нуклоните в ядрото.
През 1967 г. Шелдън Глашоу, Абдус Салам и Стивън Уайнбърг създават теория, съчетаваща електромагнитни и слабо взаимодействиев едно електрослабо взаимодействие с обхват от 10~17 m, в рамките на което разликата между слабите и електромагнитните взаимодействия изчезва.
Понастоящем е представена теорията за голямото обединение, според която има само два вида взаимодействия: обединено, което включва силни, слаби и електромагнитни взаимодействия, и гравитационно взаимодействие.
Съществува също предположение, че и четирите взаимодействия са специални случаи на проява на едно взаимодействие.
В механиката взаимното действие на телата едно върху друго се характеризира със сила (виж Сила). повече обща характеристикавзаимодействието е потенциална енергия(виж Потенциална енергия).
Силите в механиката се делят на гравитационни, еластични и триене. Както бе споменато по-горе, природата на механичните сили се определя от гравитационни и електромагнитни взаимодействия. Само тези взаимодействия могат да се разглеждат като сили в смисъла на Нютоновата механика. Силните (ядрени) и слабите взаимодействия се проявяват на толкова малки разстояния, че законите на механиката на Нютон, а с тях и концепцията механична силагубят значението си. Следователно терминът „сила” в тези случаи трябва да се възприема като „взаимодействие”.
1.1. Гравитация.
1.2. Електромагнетизъм.
1.3. Слабо взаимодействие.
1.4. Проблемът за единството на физиката.
2. Класификация на елементарните частици.
2.1. характеристика субатомни частици.
2.2. лептони.
2.3. адрони.
2.4. Частиците са носители на взаимодействия.
3. Теории на елементарните частици.
3.1. Квантова електродинамика.
3.2. Теория на кварките.
3.3. Теория на електрослабото взаимодействие.
3.4. Квантова хромодинамика.
3.5. По пътя към голямото обединение.
Референции.
Въведение.
В средата и втората половина на двадесети век бяха получени наистина удивителни резултати в онези клонове на физиката, които изучават фундаменталната структура на материята. На първо място, това се прояви в откриването на цял набор от нови субатомни частици. Те обикновено се наричат елементарни частици, но не всички от тях са наистина елементарни. Много от тях на свой ред се състоят от още по-елементарни частици. Светът на субатомните частици е наистина разнообразен. Те включват протони и неутрони, които изграждат атомните ядра, както и електрони, обикалящи около ядрата. Но има и частици, които практически никога не се срещат в материята около нас. Животът им е изключително кратък, той е най-малките части от секундата. След това изключително кратко време те се разпадат на обикновени частици. Има удивителен брой такива нестабилни краткотрайни частици: вече са известни няколкостотин от тях. През 60-те и 70-те години на миналия век физиците бяха напълно объркани от броя, разнообразието и странността на новооткритите субатомни частици. Те сякаш нямаха край. Напълно неясно е защо има толкова много частици. Дали тези елементарни частици са хаотични и произволни фрагменти от материята? Или може би те държат ключа към разбирането на структурата на Вселената? Развитието на физиката през следващите десетилетия показа, че няма съмнение за съществуването на такава структура. В края на ХХ век. физиката започва да разбира значението на всяка от елементарните частици. Светът на субатомните частици се характеризира с дълбок и рационален ред. Този ред се основава на фундаментални физически взаимодействия.
1. Фундаментални физически взаимодействия.
Във вашия ежедневиеточовек е изправен пред много сили, действащи върху телата му. Тук е силата на вятъра или насрещния поток на водата, налягането на въздуха, мощното освобождаване на експлозивни химикали, човешката мускулна сила, теглото на тежки предмети, налягането на светлинните кванти, привличането и отблъскването на електрически заряди, сеизмичните вълни които понякога причиняват катастрофални разрушения и вулканични изригвания, довели до смъртта на цивилизацията и т.н. Някои сили действат директно при контакт с тялото, други, например гравитацията, действат от разстояние, през пространството. Но, както се оказа в резултат на развитието на теоретичната естествена наука, въпреки такова голямо разнообразие, всички сили, действащи в природата, могат да бъдат сведени само до четири основни взаимодействия. Именно тези взаимодействия в крайна сметка са отговорни за всички промени в света; те са източникът на всички трансформации на телата и процесите. Изследването на свойствата на фундаменталните взаимодействия е основна задачасъвременна физика.
Гравитация.
В историята на физиката гравитацията стана първото от четирите фундаментални взаимодействия, което беше обект на научни изследвания. След появата си през 17в. Теорията на Нютон за гравитацията - законът за всемирното притегляне - успява за първи път да осъзнае истинската роля на гравитацията като природна сила. Гравитацията има редица характеристики, които я отличават от другите фундаментални взаимодействия. Най-изненадващата характеристика на гравитацията е нейният нисък интензитет. Големината на гравитационното взаимодействие между компонентите на водородния атом е 10n, където n = - 3 9, въз основа на силата на взаимодействие на електрическите заряди. (Ако размерите на водородния атом се определят от гравитацията, а не от взаимодействието между електрическите заряди, тогава най-ниската (най-близката до ядрото) орбита на електрона би била по-голяма по размер от наблюдаваната част от Вселената!) ( Ако размерите на водородния атом се определят от гравитацията, а не от взаимодействието между електрическите заряди, тогава най-ниската (най-близката до ядрото) електронна орбита би била по-голяма по размер от наблюдаваната част от Вселената!). Може да изглежда изненадващо, че изобщо усещаме гравитацията, тъй като тя е толкова слаба. Как може тя да се превърне в доминираща сила във Вселената? Всичко е свързано с втората удивителна характеристика на гравитацията - нейната универсалност. Нищо във Вселената не е свободно от гравитацията. Всяка частица изпитва действието на гравитацията и сама по себе си е източник на гравитация. Тъй като всяка частица материя упражнява гравитационно привличане, гравитацията се увеличава с образуването на по-големи бучки материя. Усещаме гравитацията в ежедневието, защото всички атоми на Земята работят заедно, за да ни привлекат. И въпреки че ефектът от гравитационното привличане на един атом е незначителен, получената сила на привличане от всички атоми може да бъде значителна. Гравитацията е природна сила на дълги разстояния. Това означава, че въпреки че интензивността на гравитационното взаимодействие намалява с разстоянието, то се разпространява в пространството и може да засегне тела, много отдалечени от източника. В астрономически мащаб гравитационните взаимодействия са склонни да играят основна роля. Благодарение на действието на далечни разстояния, гравитацията предотвратява разпадането на Вселената: тя държи планети в орбити, звезди в галактики, галактики в купове, купове в Метагалактика. Гравитационната сила, действаща между частиците, винаги е сила на привличане: тя се стреми да сближи частиците. Гравитационното отблъскване никога не е било наблюдавано преди (въпреки че в традициите на квази-научната митология има цяла област, наречена левитация - търсенето на „фактите“ на антигравитацията). Тъй като енергията, съхранявана във всяка частица, винаги е положителна и й придава положителна маса, частиците под въздействието на гравитацията винаги се стремят да се приближат. Какво е гравитацията, определено поле или проява на кривината на пространство-времето - все още няма ясен отговор на този въпрос. Както вече отбелязахме, има различни мнения и концепции на физиците по този въпрос.
Електромагнетизъм.
По размер електрически силидалеч превъзхожда гравитацията. За разлика от слабото гравитационно взаимодействие, електрическите сили, действащи между тела с нормален размер, могат лесно да се наблюдават. Електромагнетизмът е познат на хората от незапомнени времена (полярни сияния, светкавици и др.). Дълго време електрическите и магнитните процеси се изучават независимо един от друг. Както вече знаем, решителната стъпка в познанието за електромагнетизма е направена в средата на 19 век. Дж. К. Максуел, който комбинира електричество и магнетизъм в единна теория на електромагнетизма - първата единна теория на полето. Съществуването на електрона е твърдо установено през 90-те години. Сега е известно, че електрическият заряд на всяка частица материя винаги е кратно на основната единица заряд - един вид "атом" на заряда. Защо това е така е изключително интересен въпрос. Не всички материални частици обаче са носители на електрически заряд. Например фотонът и неутриното са електрически неутрални. В това отношение електричеството се различава от гравитацията. Всички материални частици създават гравитационно поле, докато с електромагнитно полеСвързани са само заредени частици. Както електрическите заряди, така и магнитните полюси се отблъскват, а противоположните се привличат. Въпреки това, за разлика от електрическите заряди, магнитните полюси не се срещат поотделно, а само по двойки - Северен полюси южния полюс. От древни времена са известни опити чрез разделяне на магнит да се получи само един изолиран магнитен полюс - монопол. Но всички те завършиха с провал. Може би съществуването на изолирани магнитни полюсиневъзможно в природата? Все още няма категоричен отговор на този въпрос. Някои теоретични концепции допускат възможността за монопол. Подобно на електрическите и гравитационните взаимодействия, взаимодействието на магнитните полюси се подчинява на обратния квадратичен закон. Следователно електрическите и магнитните сили са „далечни“ и ефектът им се усеща на големи разстояния от източника. Така магнитното поле на Земята се простира далеч в открития космос. Мощното магнитно поле на Слънцето изпълва цялата Слънчева система. Има и галактически магнитни полета. Електромагнитното взаимодействие определя структурата на атомите и е отговорно за по-голямата част от физическите и химични явленияи процеси (с изключение на ядрени).
Слабо взаимодействие.
Физиката се придвижи бавно към идентифициране на съществуването на слабото взаимодействие. Слабата сила е отговорна за разпада на частиците; и следователно неговото проявление се сблъска с откриването на радиоактивността и изследването на бета-разпадането. Бета разпадът е открит в най-висока степенстранна особеност. Изследванията доведоха до заключението, че този разпад нарушава един от основните закони на физиката - закона за запазване на енергията. Изглеждаше, че в този разпад част от енергията изчезна някъде. За да „запази“ закона за запазване на енергията, У. Паули предположи, че заедно с електрона по време на бета-разпада се излъчва друга частица. Той е неутрален и има необичайно висока проникваща способност, поради което не може да бъде наблюдаван. Е. Ферми нарича невидимата частица "неутрино". Но предвиждането и откриването на неутрино е само началото на проблема, неговата формулировка. Беше необходимо да се обясни природата на неутриното, но тук оставаше много мистерия. Факт е, че както електроните, така и неутриното са излъчени от нестабилни ядра. Но беше неопровержимо доказано, че вътре в ядрата няма такива частици. Как са възникнали? Предполага се, че електроните и неутриното не съществуват в ядрото в „готова форма“, а по някакъв начин се формират от енергията на радиоактивното ядро. По-нататъшни изследвания показаха, че неутроните, включени в ядрото, оставени на собствените си устройства, след няколко минути се разпадат на протон, електрон и неутрино, т.е. вместо една частица се появяват три нови. Анализът доведе до извода, че известни силине може да причини такова разпадане. Очевидно е генериран от някаква друга, неизвестна сила. Изследванията показват, че тази сила съответства на някакво слабо взаимодействие. Той е много по-слаб от електромагнитния, но по-силен от гравитационния. Разпространява се на много къси разстояния. Радиусът на слабото взаимодействие е много малък. Слабото взаимодействие спира на разстояние, по-голямо от 10n cm (където n = - 1 6) от източника и следователно не може да повлияе на макроскопични обекти, а е ограничено до отделни субатомни частици. Впоследствие се оказа, че повечето нестабилни елементарни частици участват в слаби взаимодействия. Теорията за слабото взаимодействие е създадена в края на 60-те години от С. Вайнберг и А. Салам. След теорията на Максуел за електромагнитното поле, създаването на тази теория е най-голямата стъпка към единството на физиката. 10.
Силно взаимодействие.
Последното от поредицата фундаментални взаимодействия е силното взаимодействие, което е източник на огромна енергия. Повечето типичен примерЕнергията, освободена от силното взаимодействие, е нашето Слънце. В дълбините на Слънцето и звездите, започвайки от определено време, непрекъснато протичат термоядрени реакции, причинени от силно взаимодействие. Но човекът също се научи да освобождава силни взаимодействия: създадена е водородна бомба, проектирани и подобрени са технологии за контролирани термоядрени реакции. Физиката стигна до идеята за съществуването на силно взаимодействие по време на изследването на структурата атомно ядро. Известна сила трябва да задържа протоните в ядрото, предотвратявайки разсейването им под въздействието на електростатично отблъскване. Гравитацията е твърде слаба за това; Очевидно е необходимо някакво ново взаимодействие, при това по-силно от електромагнитното. Впоследствие беше открито. Оказа се, че въпреки че силното взаимодействие значително надвишава всички други фундаментални взаимодействия по своята величина, то не се усеща извън ядрото. Обхват нова силасе оказа много малък. Силната сила спада рязко на разстояние от протона или неутрона, по-голямо от около 10n cm (където n = - 13). Освен това се оказа, че не всички частици изпитват силни взаимодействия. То се изпитва от протони и неутрони, но електрони, неутрино и фотони не са обект на него. Само по-тежките частици участват в силни взаимодействия. Теоретичното обяснение на природата на силното взаимодействие беше трудно да се развие. Пробив настъпи в началото на 60-те години, когато беше предложен кварковият модел. В тази теория неутроните и протоните се разглеждат не като елементарни частици, а като съставни системи, изградени от кварки. Така при фундаменталните физически взаимодействия разликата между силите на далечни и къси разстояния е ясно видима. От една страна, има взаимодействия с неограничен обхват (гравитация, електромагнетизъм), а от друга, взаимодействия с малък обхват (силни и слаби). Светът на физическите елементи като цяло се разгръща в единството на тези две полярности и е въплъщение на единството на изключително малкото и изключително голямото - действие на къси разстояния в микросвета и действие на големи разстояния в цялата Вселена.
Проблемът за единството на физиката.
Знанието е обобщение на реалността и следователно целта на науката е търсенето на единство в природата, свързвайки различни фрагменти от знания в една картина. За да създадете единна система, трябва да се отвори връзкамежду различни клонове на знанието, някаква фундаментална връзка. Търсенето на такива връзки и взаимоотношения е една от основните задачи на научните изследвания. Винаги, когато е възможно да се установят такива нови връзки, разбирането на заобикалящия свят се задълбочава значително, формират се нови начини на познание, които сочат пътя към непознати досега явления. Установяването на дълбоки връзки между различни области на природата е както синтез на знания, така и метод, който насочва научните изследвания по нови, неотъпкани пътища. Откритието на Нютон за връзката между привличането на телата при земни условия и движението на планетите бележи раждането класическа механика, върху чиято основа се изгражда технологичната база на съвременната цивилизация. Установяване на връзка термодинамични свойствагаз с хаотичното движение на молекулите постави атомно-молекулярната теория за материята на солидна основа. В средата на миналия век Максуел създава единна електромагнитна теория, която обхваща както електрическите, така и магнитните явления. Тогава, през 20-те години на нашия век, Айнщайн прави опити за комбиниране единна теорияелектромагнетизъм и гравитация. Но към средата на ХХ век. Ситуацията във физиката се промени коренно: открити са две нови фундаментални взаимодействия - силно и слабо, т.е. при създаване единна физикавече не трябва да се съобразяваме с две, а с четири фундаментални взаимодействия. Това донякъде охлади плама на онези, които се надяваха бързо решениетози проблем. Но самата идея не беше сериозно поставена под въпрос и ентусиазмът за идеята за едно описание не изчезна. Има гледна точка, че и четирите (или поне три) взаимодействия представляват явления от едно и също естество и трябва да се намери тяхното единно теоретично описание. Перспективата за създаване на единна теория за света на физическите елементи, основана на едно фундаментално взаимодействие, остава много привлекателна. Това е основната мечта на физиците от 20 век. Но дълго време това остана само мечта, и то много неясна. Въпреки това през втората половина на ХХв. имаше предпоставки за осъществяването на тази мечта и увереността, че това съвсем не е въпрос на далечно бъдеще. Изглежда, че скоро може да стане реалност. Решителната крачка към единна теория е направена през 60-70-те години. със създаването първо на теорията за кварките, а след това и на теорията за електрослабото взаимодействие. Има основание да вярваме, че сме на прага на по-мощно и по-дълбоко обединение от всякога. Сред физиците нараства убеждението, че контурите на единна теория за всички фундаментални взаимодействия – Голямото обединение – започват да се очертават.
2 . Класификация на елементарните частици.
Дълго време човекът се е стремил да опознае и разбере физическия свят около себе си. Оказва се, че цялото безкрайно разнообразие от физически процеси, протичащи в нашия свят, може да се обясни със съществуването в природата на много малък брой фундаментални взаимодействия. Тяхното взаимодействие помежду си обяснява подреденото разположение на небесните тела във Вселената. Те са „елементите“, които движат небесните тела, генерират светлина и правят възможен самия живот (вж. Приложение
).
Така всички процеси и явления в природата, било то падане на ябълка, експлозия на свръхнова, скачане на пингвин или радиоактивен разпад на вещества, възникват в резултат на тези взаимодействия.
Структурата на веществото на тези тела е стабилна благодарение на връзките между съставните му частици.
1. ВИДОВЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
Въпреки факта, че материята съдържа голям брой елементарни частици, има само четири вида фундаментални взаимодействия между тях: гравитационно, слабо, електромагнитно и силно.
Най-изчерпателният е гравитационен
взаимодействие
. На нея са подвластни всички материални взаимодействия без изключение – както микрочастиците, така и макротелата. Това означава, че в него участват всички елементарни частици. Тя се проявява под формата на универсална гравитация. Гравитация
(от лат. Gravitas - тежест) контролира най-много глобални процесивъв Вселената, по-специално, осигурява структурата и стабилността на нашата слънчева система. Според съвременните концепции всяко от взаимодействията възниква в резултат на обмена на частици, наречени носители на това взаимодействие. Гравитационното взаимодействие се осъществява чрез обмен гравитони
.
, подобно на гравитацията, има далечни разстояния по природа: съответните сили могат да се проявят на много значителни разстояния. Електромагнитното взаимодействие се описва от заряди от един тип (електрически), но тези заряди вече могат да имат два знака - положителни и отрицателни. За разлика от гравитацията, електромагнитните сили могат да бъдат както сили на привличане, така и сили на отблъскване. Физически и химични свойствана различни вещества, материали и самата жива тъкан се определят от това взаимодействие. Освен това захранва цялото електрическо и електронно оборудване, т.е. свързва само заредени частици помежду си. Теория електромагнитно взаимодействиев макрокосмоса се нарича класическа електродинамика.
Слабо взаимодействие
по-малко известни навън тесен кръгфизици и астрономи, но това по никакъв начин не омаловажава значението му. Достатъчно е да се каже, че ако го нямаше, Слънцето и другите звезди биха изгаснали, тъй като в реакциите, които осигуряват светенето им, слабото взаимодействие играе много важна роля. важна роля. Слабото взаимодействие е с малък обсег: неговият радиус е приблизително 1000 пъти по-малък от този на ядрените сили.
Силно взаимодействие
– най-мощният от всички останали. Той определя връзки само между адрони. Ядрените сили, действащи между нуклоните в атомното ядро, са проява на този тип взаимодействие. Тя е около 100 пъти по-силна от електромагнитната енергия. За разлика от последния (а също и гравитационен), той е, първо, с малък обсег на разстояние, по-голямо от 10–15 m (от порядъка на размера на ядрото), съответните сили между протони и неутрони, рязко намаляващи, престават да ги обвърже един с друг. Второ, той може да бъде описан задоволително само с помощта на три заряда (цвята), образуващи сложни комбинации.
Таблица 1 грубо представя най-важните елементарни частици, принадлежащи към основните групи (адрони, лептони, носители на взаимодействие).
Таблица 1
Участие на основните елементарни частици във взаимодействията
Най-важната характеристика на фундаменталното взаимодействие е неговият обхват на действие. Радиусът на действие е максималното разстояние между частиците, извън което тяхното взаимодействие може да бъде пренебрегнато (Таблица 2). При малък радиус взаимодействието се нарича кратко действие , с големи – далекобойни .
Таблица 2
Основни характеристики на фундаменталните взаимодействия
Силните и слабите взаимодействия са с малък обсег . Техният интензитет намалява бързо с увеличаване на разстоянието между частиците. Такива взаимодействия се случват на малко разстояние, недостъпно за възприятие от сетивата. Поради тази причина тези взаимодействия са открити по-късно от други (едва през 20 век) с помощта на комплекс експериментални съоръжения. Електромагнитните и гравитационните взаимодействия са на големи разстояния . Такива взаимодействия намаляват бавно с увеличаване на разстоянието между частиците и нямат краен обхват на действие.
2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕТО КАТО ВРЪЗКА НА СТРУКТУРИТЕ НА МАТЕРИЯТА
В атомното ядро връзката между протони и неутрони определя силно взаимодействие . Осигурява изключителна здравина на сърцевината, която е в основата на стабилността на веществото при земни условия.
Слабо взаимодействие милион пъти по-малко интензивен от силен. Той действа между повечето елементарни частици, разположени на разстояние по-малко от 10–17 m една от друга. Слабото взаимодействие определя радиоактивния разпад на урана и реакциите на термоядрен синтез в Слънцето. Както знаете, именно слънчевата радиация е основният източник на живот на Земята.
Електромагнитно взаимодействие , тъй като е далекодействащ, определя структурата на материята извън обхвата на силното взаимодействие. Електромагнитната сила свързва електрони и ядра в атоми и молекули. Той комбинира атоми и молекули в различни вещества и определя химични и биологични процеси. Това взаимодействие се характеризира със сили на еластичност, триене, вискозитет и магнитни сили. По-специално, електромагнитното отблъскване на молекули, разположени на къси разстояния, предизвиква сила на реакция на земята, в резултат на което ние, например, не падаме през пода. Електромагнитното взаимодействие не оказва значително влияние върху взаимното движение на макроскопичните тела голяма маса, тъй като всяко тяло е електрически неутрално, т.е. съдържа приблизително същия номерположителни и отрицателни заряди.
Гравитационно взаимодействие право пропорционална на масата на взаимодействащите тела. Поради малката маса на елементарните частици, гравитационното взаимодействие между частиците е малко в сравнение с други видове взаимодействия, следователно в процесите на микросвета това взаимодействие е незначително. С нарастването на масата на взаимодействащите тела (т.е. с увеличаването на броя на частиците, които те съдържат), гравитационното взаимодействие между телата нараства правопропорционално на тяхната маса. В тази връзка в макрокосмоса, когато се разглежда движението на планети, звезди, галактики, както и движението на малки макроскопични тела в техните полета, гравитационното взаимодействие става решаващо. Той държи атмосферата, моретата и всичко живо и неживо на Земята, Земята, която се върти в орбита около Слънцето, Слънцето в Галактиката. Гравитационното взаимодействие играе основна роля в образуването и еволюцията на звездите. Фундаменталните взаимодействия на елементарните частици се изобразяват с помощта на специални диаграми, в които реална частица съответства на права линия, а взаимодействието й с друга частица се изобразява или с пунктирана линия, или с крива (фиг. 1).
Диаграми на взаимодействия на елементарни частици
Съвременните физически концепции за фундаменталните взаимодействия непрекъснато се усъвършенстват. През 1967г Шелдън Глашоу, Абдус Салами Стивън Уайнбъргсъздава теория, според която електромагнитното и слабото взаимодействие са проява на едно електрослабо взаимодействие. Ако разстоянието от елементарна частица е по-малко от радиуса на действие слаби сили(10–17 m), тогава разликата между електромагнитните и слабите взаимодействия изчезва. Така броят на фундаменталните взаимодействия беше намален до три.
Теорията за "Великото обединение".
Някои физици, по-специално Г. Георги и С. Глашоу, предполагат, че по време на прехода към по-високи енергии трябва да се случи друго сливане - обединяването на електрослабото взаимодействие със силното. Съответните теоретични схеми се наричат Теория за „великото обединение“. И тази теория в момента се проверява експериментално. Според тази теория, която съчетава силни, слаби и електромагнитни взаимодействия, има само два вида взаимодействия: обединени и гравитационни. Възможно е и четирите взаимодействия да са само частични прояви на едно взаимодействие. Предпоставките за такива предположения се разглеждат при обсъждането на теорията за произхода на Вселената (теорията за Големия взрив). теория" Голям взрив” обяснява как комбинацията от материя и енергия ражда звезди и галактики.
Фундаментални взаимодействия
В природата има огромно разнообразие от природни системи и структури, характеристиките и развитието на които се обясняват с взаимодействието на материалните обекти, тоест взаимното им действие един върху друг. точно така взаимодействието е основната причина за движението на материята и е характерно за всички материални обекти, независимо от техния произход и тяхната системна организация. Взаимодействието е универсално, както и движението. Взаимодействащите си обекти обменят енергия и импулс (това са основните характеристики на тяхното движение). IN класическа физикавзаимодействието се определя от силата, с която един материален обект действа върху друг. Дълго време парадигмата беше концепцията за действие на далечни разстояния - взаимодействието на материални обекти, разположени на голямо разстояние един от друг и незабавно се предава през празното пространство. В момента е експериментално потвърдено друго - концепция за взаимодействие на къси разстояния - взаимодействието се предава с помощта на физически полета с крайна скорост, която не надвишава скоростта на светлината във вакуум.Физическо поле – специален видматерия, която осигурява взаимодействието на материалните обекти и техните системи (следните полета: електромагнитно, гравитационно, поле на ядрени сили - слаби и силни). Източникът на физическото поле са елементарни частици (електромагнитни - заредени частици), в квантова теориявзаимодействието се предизвиква от обмена на полеви кванти между частиците.
В природата съществуват четири основни взаимодействия: силно, електромагнитно, слабо и гравитационно, които определят структурата на околния свят.
Силно взаимодействие(ядрено взаимодействие) – взаимно привличане компонентиатомни ядра (протони и неутрони) и действа на разстояние от порядъка на 10 -1 3 cm, предавано от глуони. От гледна точка на електромагнитното взаимодействие, протон и неутрон - различни частици, тъй като протонът е електрически зареден, но неутронът не е. Но от гледна точка на силното взаимодействие тези частици са неразличими, тъй като в стабилно състояние неутронът е нестабилна частица и се разпада на протон, електрон и неутрино, но в ядрото става подобен по свойствата си на протон, поради което терминът „нуклон“ (от лат. ядро- ядро)” и протон с неутрон започват да се разглеждат като две различни състояния на нуклона. Колкото по-силно е взаимодействието на нуклоните в ядрото, толкова по-стабилно е ядрото, толкова по-голяма е специфичната енергия на свързване.
В стабилно вещество взаимодействието между протони и неутрони при не твърде високи температури се увеличава, но ако възникне сблъсък на ядра или техни части (високоенергийни нуклони), тогава възникват ядрени реакции, които са придружени от освобождаване на огромна енергия.
При определени условия силното взаимодействие много здраво свързва частиците в атомни ядра - материални системис висока енергия на свързване. Именно поради тази причина ядрата на атомите са много стабилни и трудни за разрушаване.
Без силни взаимодействия атомните ядра не биха съществували, а звездите и Слънцето не биха могли да генерират топлина и светлина, използвайки ядрена енергия.
Електромагнитно взаимодействиепредавани с помощта на електрически и магнитни полета. Електрическо поле възниква в присъствието на електрически заряди, а магнитно поле възниква, когато те се движат. Променящото се електрическо поле генерира променливо магнитно поле - това е източникът на променливото магнитно поле. Този тип взаимодействие е характерно за електрически заредените частици. Носител на електромагнитно взаимодействие е фотон, който няма заряд - квант на електромагнитното поле. В процеса на електромагнитно взаимодействие електроните и атомните ядра се комбинират в атоми, а атомите в молекули. В известен смисъл това взаимодействие е основно в химията и биологията.
Ние получаваме около 90% от информацията за света около нас чрез електромагнитна вълна, тъй като различни състояния на материята, триене, еластичност и др. се определят от силите на междумолекулно взаимодействие, които са електромагнитни по природа. Електромагнитните взаимодействия се описват от законите на Кулон, Ампер и електромагнитната теория на Максуел.
Електромагнитното взаимодействие е в основата на създаването на различни електрически уреди, радиоапарати, телевизори, компютри и др. Той е около хиляда пъти по-слаб от силен, но много по-далечен.
без електромагнитни взаимодействия няма да има атоми, молекули, макро-обекти, топлина и светлина.
3. Слабо взаимодействиеможе би между различни частици, с изключение на фотона, то е с малък обсег и се проявява на разстояния по-малки от размера на атомното ядро 10 -15 - 10 -22 см. слабото взаимодействие е по-слабо от силното и протичат процеси със слабо взаимодействие по-бавно, отколкото при силно взаимодействие. Отговорен за разпадането на нестабилни частици (например трансформацията на неутрон в протон, електрон, антинеутрино). Именно поради това взаимодействие повечето частици са нестабилни. Носители на слабо взаимодействие - виони, частици с маса 100 пъти повече масапротони и неутрони. Благодарение на това взаимодействие Слънцето свети (един протон се превръща в неутрон, позитрон, неутрино, излъченото неутрино има огромна проникваща способност).
Без слаби взаимодействия не биха били възможни ядрени реакции в дълбините на Слънцето и звездите и не биха възникнали нови звезди.
4. Гравитационно взаимодействиенай-слабият, не се взема предвид в теорията на елементарните частици, тъй като при характерни разстояния (10 -13 cm) ефектите са малки, а при свръхмалки разстояния (10 -33 cm) и при свръхвисоки енергии, гравитацията става важно и започват да се проявяват необичайните свойства на физическия вакуум.
Гравитация (от латинското gravitas - „гравитация“) - фундаменталното взаимодействие е на дълги разстояния (това означава, че независимо колко масивно се движи едно тяло, във всяка точка на пространството гравитационният потенциал зависи само от позицията на тялото в дадена момент във времето) и всички материални тела са подчинени на него. По принцип гравитацията играе решаваща роля в космически мащаб, Мегасвета.
В рамките на класическата механика е описано гравитационното взаимодействие закон на всемирното притеглянеНютон, който заявява, че силата на гравитационното привличане между две материални точки на маса м 1 и м 2 разделени на разстояние Р, Има
Къде Ж- гравитационна константа.
Без гравитационни взаимодействия нямаше галактики, звезди, планети или еволюция на Вселената.
Времето, през което се извършва трансформацията на елементарните частици, зависи от силата на взаимодействие (при силно взаимодействие ядрените реакции протичат в рамките на 10 -24 - 10 -23 s., с електромагнитни - промените настъпват в рамките на 10 -19 - 10 -21 s. , със слабо разпадане в рамките на 10 -10 s.).
Всички взаимодействия са необходими и достатъчни за изграждането на сложен и разнообразен материален свят, от който според учените може да се получи суперсила(при много високи температуриили енергии, всичките четири взаимодействия са комбинирани в един).
В ежедневието се сблъскваме с различни сили, произтичащи от сблъсък на тела, триене, експлозия, опъване на нишка, компресия на пружина и др. Всички тези сили обаче са резултат от електромагнитното взаимодействие на атомите един с друг. Теорията за електромагнитното взаимодействие е създадена от Максуел през 1863 г.
Друго отдавна известно взаимодействие е гравитационното взаимодействие между тела с маса. През 1915 г. Айнщайн създава обща теорияотносителността, която свързва гравитационното поле с кривината на пространство-времето.
През 1930г Беше открито, че ядрата на атомите се състоят от нуклони и нито електромагнитните, нито гравитационните взаимодействия могат да обяснят какво държи нуклоните в ядрото. Силното взаимодействие беше предложено да опише взаимодействието на нуклоните в ядрото.
Докато продължавахме да изучаваме микросвета, се оказа, че някои явления не се описват от трите вида взаимодействие. Поради това беше предложено слабото взаимодействие да опише разпадането на неутрона и други подобни процеси.
Днес всички сили, известни в природата, са продукт на четири фундаментални взаимодействия, които могат да бъдат подредени в низходящ ред по интензитет в следния ред:
- 1) силно взаимодействие;
- 2) електромагнитно взаимодействие;
- 3) слабо взаимодействие;
- 4) гравитационно взаимодействие.
Фундаменталните взаимодействия се осъществяват от елементарни частици – носители на фундаментални взаимодействия. Тези частици се наричат калибровъчни бозони.Процесът на фундаментални взаимодействия на телата може да бъде представен както следва. Всяко тяло излъчва частици - носители на взаимодействия, които се поглъщат от друго тяло. В този случай телата изпитват взаимно влияние.
Силно взаимодействиеможе да възникне между протони, неутрони и други адрони (вижте по-долу). Тя е с малък обсег и се характеризира с радиус на действие на силите от порядъка на 10 15 m. Носител на силно взаимодействие между адроните е божури, а продължителността на взаимодействието е около 10 23 s.
Електромагнитно взаимодействиеима четири порядъка по-нисък интензитет в сравнение със силното взаимодействие. Възниква между заредени частици. Електромагнитното взаимодействие е дългодействащо и се характеризира с безкраен радиус на действие на силите. Носителят на електромагнитното взаимодействие е фотони, а продължителността на взаимодействието е около 10–20 s.
Слабо взаимодействиеима 20 порядъка по-нисък интензитет в сравнение със силното взаимодействие. Може да възникне между адрони и лептони (виж по-долу). Лептоните включват по-специално електрон и неутрино. Пример за слабо взаимодействие е неутронният p-разпад, обсъден по-горе. Слабото взаимодействие е с малък обсег и се характеризира с радиус на действие на силите от порядъка на 10 18 m векторни бозони, а продължителността на взаимодействието е около 10 10 s.
Гравитационно взаимодействиеима 40 порядъка по-ниска интензивност в сравнение със силното взаимодействие. Среща се между всички частици. Гравитационното взаимодействие е дългодействащо и се характеризира с безкраен радиус на действие на силите. Носителят на гравитационното взаимодействие може да бъде гравитони.Тези частици все още не са открити, което може да се дължи на ниската интензивност на гравитационното взаимодействие. Това е свързано и с факта, че поради малките маси на елементарните частици това взаимодействие в процесите на ядрената физика е незначително.
През 1967 г. А. Салам и С. Вайнберг предлагат теория на електрослабото взаимодействие, който обединява електромагнитни и слаби взаимодействия. През 1973 г. е създадена теорията за силното взаимодействие квантова хромодинамика.Всичко това направи възможно създаването стандартен моделелементарни частици, описващи електромагнитни, слаби и силни взаимодействия. И трите вида взаимодействие, разглеждани тук, възникват като следствие от постулата, че нашият свят е симетричен по отношение на три вида калибровъчни трансформации.