Grundlæggende interaktioner og deres typer. Interaktion

Interaktion i fysik er påvirkning af kroppe eller partikler på hinanden, hvilket fører til en ændring i deres bevægelse.

Nærhed og langdistancehandling (eller handling på afstand). Der har længe været to synsvinkler i fysikken om, hvordan kroppe interagerer. Den første af dem antog tilstedeværelsen af ​​et middel (for eksempel æter), hvorigennem en krop overfører sin indflydelse til en anden, og med terminal hastighed. Dette er teorien om kortdistancehandling. Den anden antog, at interaktionen mellem kroppe sker gennem det tomme rum, som ikke tager nogen del i transmissionen af ​​interaktionen, og transmissionen sker øjeblikkeligt. Dette er teorien om lang rækkevidde handling. Hun så ud til endelig at have vundet efter Newton opdagede loven universel tyngdekraft. For eksempel mente man, at Jordens bevægelse umiddelbart skulle føre til en ændring i tyngdekraften, der virker på Månen. Ud over Newton selv, blev konceptet langdistancehandling senere overholdt af Coulomb og Ampere.

Efter opdagelsen og undersøgelsen af ​​det elektromagnetiske felt (se Elektromagnetisk felt) blev teorien om langrækkende virkning afvist, da det blev bevist, at interaktionen af ​​elektrisk ladede legemer ikke sker øjeblikkeligt, men med en endelig hastighed ( lige hastighed lys: c = 3 108 m/s), og bevægelsen af ​​en af ​​ladningerne fører til en ændring i de kræfter, der virker på andre ladninger, ikke øjeblikkeligt, men efter nogen tid. Opstod ny teori kortdistanceinteraktion, som derefter blev udvidet til alle andre typer interaktioner. Ifølge teorien om kortdistancehandling udføres interaktion gennem tilsvarende felter, der omgiver kroppene og kontinuerligt fordelt i rummet (dvs. feltet er det mellemled, der overfører en krops handling til en anden). Interaktion elektriske ladninger- gennem et elektromagnetisk felt, universel tyngdekraft - gennem et gravitationsfelt.

I dag kender fysikken fire typer grundlæggende interaktioner eksisterende i naturen (i rækkefølge af stigende intensitet): gravitationel, svag, elektromagnetisk og stærk interaktion.

Fundamentale interaktioner er dem, der ikke kan reduceres til andre typer interaktioner.

Interaktion Interagerende partikler "I forhold Aktionsradius, m intensitet Gravitationel Alt undtagen fotonen Elektromagnetisk Ladede partikler

Fundamentale interaktioner adskiller sig i intensitet og rækkevidde af handling (se tabel 1.1). Aktionsradius er den maksimale afstand mellem partikler, ud over hvilken deres interaktion kan negligeres.

I henhold til aktionsradius opdeles fundamentale interaktioner i lang rækkevidde (gravitationel og elektromagnetisk) og kort rækkevidde (svag og stærk) (se tabel 1.1).

Gravitationsinteraktion er universel: alle kroppe i naturen deltager i den - fra stjerner, planeter og galakser til mikropartikler: atomer, elektroner, kerner. Dens handlingsområde er uendelig. Dog hvad angår elementære partikler mikroverden, og for de objekter, der omgiver os i magtens makroverden gravitationsinteraktion så små, at de kan negligeres (se tabel 1.1). Det bliver mærkbart med stigende masse af interagerende kroppe og bestemmer derfor adfærd himmellegemer og stjernernes dannelse og udvikling.

Svag interaktion er iboende i alle elementarpartikler undtagen fotonen. Den er ansvarlig for flertallet nukleare reaktioner henfald og mange transformationer af elementarpartikler.

Elektromagnetisk interaktion bestemmer stoffets struktur, forbinder elektroner og kerner i atomer og molekyler, kombinerer atomer og molekyler til forskellige stoffer. Det bestemmer kemiske og biologiske processer. Elektromagnetisk interaktion er årsagen til sådanne fænomener som elasticitet, friktion, viskositet, magnetisme og udgør karakteren af ​​de tilsvarende kræfter. Det har ikke en signifikant effekt på bevægelsen af ​​makroskopiske elektrisk neutrale legemer.

Den stærke interaktion sker mellem hadroner, som er det, der holder nukleonerne i kernen.

I 1967 skabte Sheldon Glashow, Abdus Salam og Steven Weinberg en teori, der kombinerede elektromagnetisk og svag interaktion ind i en enkelt elektrosvag interaktion med en rækkevidde på 10~17 m, inden for hvilken forskellen mellem svage og elektromagnetiske interaktioner forsvinder.

I øjeblikket er teorien om storslået forening blevet fremsat, ifølge hvilken der kun er to typer interaktioner: forenet, som omfatter stærke, svage og elektromagnetiske interaktioner, og gravitationsinteraktion.

Der er også en antagelse om, at alle fire interaktioner er særlige tilfælde af manifestationen af ​​en enkelt interaktion.

I mekanikken er kroppes gensidige påvirkning af hinanden karakteriseret ved kraft (se Kraft). Mere generel karakteristik interaktion er potentiel energi(se Potentiel energi).

Kræfter i mekanik er opdelt i tyngdekraft, elastisk og friktionskraft. Som nævnt ovenfor er karakteren af ​​mekaniske kræfter bestemt af gravitationelle og elektromagnetiske interaktioner. Kun disse interaktioner kan betragtes som kræfter i Newtonsk mekaniks forstand. Stærke (nukleare) og svage interaktioner manifesterer sig på så små afstande, at Newtons mekaniklove og med dem begrebet mekanisk kraft miste deres mening. Derfor bør udtrykket "kraft" i disse tilfælde opfattes som "interaktion".

1.1. Tyngdekraft.

1.2. Elektromagnetisme.

1.3. Svag interaktion.

1.4. Problemet med fysikkens enhed.

2. Klassificering af elementarpartikler.

2.1. egenskab subatomære partikler.

2.2. leptoner.

2.3. Hadroner.

2.4. Partikler er bærere af interaktioner.

3. Teorier om elementarpartikler.

3.1. Kvanteelektrodynamik.

3.2. Quark teori.

3.3. Teori om elektrosvag interaktion.

3.4. Kvantekromodynamik.

3.5. På vej mod stor samling.

Bibliografi.

Introduktion.

I midten og anden halvdel af det tyvende århundrede opnåede man virkelig fantastiske resultater i de grene af fysikken, der studerer stoffets grundlæggende struktur. Først og fremmest manifesterede dette sig i opdagelsen af ​​en lang række nye subatomære partikler. De kaldes normalt elementarpartikler, men ikke alle af dem er virkelig elementære. Mange af dem består til gengæld af endnu flere elementarpartikler. Subatomære partiklers verden er virkelig forskelligartet. Disse omfatter protoner og neutroner, der udgør atomkerner, samt elektroner, der kredser om kernerne. Men der er også partikler, der praktisk talt aldrig findes i materien omkring os. Deres levetid er ekstremt kort, det er de mindste brøkdele af et sekund. Efter denne ekstremt korte tid går de i opløsning til almindelige partikler. Der er et forbløffende antal af sådanne ustabile kortlivede partikler: flere hundrede af dem er allerede kendt. I 1960'erne og 1970'erne var fysikere fuldstændig forvirrede over antallet, variationen og mærkeligheden af ​​de nyopdagede subatomære partikler. Der var vist ingen ende på dem. Det er fuldstændig uklart, hvorfor der er så mange partikler. Er disse elementarpartikler kaotiske og tilfældige fragmenter af stof? Eller har de måske nøglen til at forstå universets struktur? Fysikkens udvikling i de efterfølgende årtier viste, at der ikke er nogen tvivl om eksistensen af ​​en sådan struktur. I slutningen af ​​det tyvende århundrede. fysikken begynder at forstå betydningen af ​​hver af de elementære partikler. Subatomære partiklers verden er karakteriseret ved en dyb og rationel orden. Denne rækkefølge er baseret på grundlæggende fysiske interaktioner.

1. Grundlæggende fysiske interaktioner.

I din Hverdagen en person står over for mange kræfter, der virker på deres kroppe. Her er vindens kraft eller den modkørende vandstrøm, lufttryk, en kraftig frigivelse af eksplosive kemikalier, menneskelig muskelstyrke, vægten af ​​tunge genstande, trykket fra lette kvanter, tiltrækning og frastødning af elektriske ladninger, seismiske bølger som nogle gange forårsager katastrofale ødelæggelser, og vulkanudbrud, der førte til civilisationens død, osv. Nogle kræfter virker direkte ved kontakt med kroppen, andre, for eksempel tyngdekraften, virker på afstand, gennem rummet. Men, som det viste sig som et resultat af udviklingen af ​​teoretisk naturvidenskab, på trods af så stor mangfoldighed, kan alle kræfter, der virker i naturen, reduceres til kun fire grundlæggende interaktioner. Det er disse interaktioner, der i sidste ende er ansvarlige for alle forandringer i verden; de er kilden til alle transformationer af kroppe og processer. Studiet af egenskaberne ved fundamentale interaktioner er hovedopgave moderne fysik.

Tyngdekraft.

I fysikkens historie blev tyngdekraften (tyngdekraften) den første af de fire fundamentale interaktioner, der var genstand for videnskabelig forskning. Efter dets fremkomst i det 17. århundrede. Newtons tyngdekraftsteori – loven om universel tyngdekraft – formåede for første gang at indse tyngdekraftens sande rolle som en naturkraft. Tyngdekraften har en række funktioner, der adskiller den fra andre fundamentale interaktioner. Det mest overraskende træk ved tyngdekraften er dens lave intensitet. Størrelsen af ​​tyngdekraftens vekselvirkning mellem komponenterne i et brintatom er 10n, hvor n = - 3 9, baseret på vekselvirkningskraften af ​​elektriske ladninger. (Hvis dimensionerne af brintatomet blev bestemt af tyngdekraften og ikke af interaktionen mellem elektriske ladninger, så ville elektronens laveste (nærmeste kredsløb) bane være større end den observerbare del af universet!) ( Hvis dimensionerne af brintatomet blev bestemt af tyngdekraften og ikke af interaktionen mellem elektriske ladninger, så ville den laveste (nærmeste kernen) elektronbane være større i størrelse end den observerbare del af universet! Det kan virke overraskende, at vi overhovedet mærker tyngdekraften, da den er så svag. Hvordan kan hun blive den dominerende kraft i universet? Det handler om den anden fantastiske egenskab ved tyngdekraften - dens universalitet. Intet i universet er fri for tyngdekraften. Hver partikel oplever tyngdekraftens virkning og er selv en kilde til tyngdekraften. Da hver partikel af stof udøver en tyngdekraft, øges tyngdekraften, når større klumper af stof dannes. Vi mærker tyngdekraften i hverdagen, fordi alle Jordens atomer arbejder sammen for at tiltrække os. Og selvom virkningen af ​​et atoms gravitationstiltrækning er ubetydelig, kan den resulterende tiltrækningskraft fra alle atomer være betydelig. Tyngdekraften er en langrækkende naturkraft. Dette betyder, at selvom intensiteten af ​​gravitationsinteraktion falder med afstanden, spreder den sig i rummet og kan påvirke kroppe meget fjernt fra kilden. På en astronomisk skala har gravitationsinteraktioner en tendens til at spille en stor rolle. Takket være langdistanceaktion forhindrer tyngdekraften universet i at falde fra hinanden: det holder planeter i baner, stjerner i galakser, galakser i klynger, hobe i Metagalaksen. Tyngdekraften, der virker mellem partikler, er altid en tiltrækkende kraft: den har en tendens til at bringe partiklerne tættere på hinanden. Gravitationel frastødning er aldrig blevet observeret før (selvom der i traditionerne for kvasi-videnskabelig mytologi er et helt felt kaldet levitation - søgen efter "fakta" af antigravitation). Da energien lagret i enhver partikel altid er positiv og giver den positiv masse, har partikler under påvirkning af tyngdekraften altid en tendens til at komme tættere på. Hvad er tyngdekraften, et bestemt felt eller en manifestation af rumtidens krumning - der er stadig ikke noget klart svar på dette spørgsmål. Som vi allerede har bemærket, er der forskellige meninger og begreber fra fysikere om denne sag.

Elektromagnetisme.

Efter størrelse elektriske kræfter langt bedre end tyngdekraften. I modsætning til den svage gravitationsinteraktion kan de elektriske kræfter, der virker mellem legemer af normal størrelse, let observeres. Elektromagnetisme har været kendt af folk siden umindelige tider (auroras, lyn, osv.). I lang tid blev elektriske og magnetiske processer undersøgt uafhængigt af hinanden. Som vi allerede ved, blev det afgørende skridt i viden om elektromagnetisme taget i midten af ​​det 19. århundrede. J.C. Maxwell, der kombinerede elektricitet og magnetisme i en forenet teori om elektromagnetisme - den første forenede feltteori. Eksistensen af ​​elektronen var fast etableret i 90'erne af det sidste århundrede. Det er nu kendt, at den elektriske ladning af enhver stofpartikel altid er et multiplum af den grundlæggende ladningsenhed - en slags ladningsatom. Hvorfor det er sådan, er et yderst interessant spørgsmål. Imidlertid er ikke alle materialepartikler bærere af elektrisk ladning. For eksempel er fotonen og neutrinoen elektrisk neutrale. I denne henseende adskiller elektricitet sig fra tyngdekraften. Alle materialepartikler skaber et gravitationsfelt, hvorimod med elektromagnetisk felt Kun ladede partikler er bundet. Ligesom elektriske ladninger, som magnetiske poler frastøder, og modsatte tiltrækker. Men i modsætning til elektriske ladninger forekommer magnetiske poler ikke individuelt, men kun i par - Nordpolen og sydpolen. Siden oldtiden har man kendt forsøg på at opnå, ved at dele en magnet, kun én isoleret magnetisk pol - en monopol. Men de endte alle i fiasko. Måske eksistensen af ​​isolerede magnetiske poler umuligt i naturen? Der er endnu ikke noget entydigt svar på dette spørgsmål. Nogle teoretiske begreber tillader muligheden for en monopol. Ligesom elektriske og gravitationelle interaktioner adlyder interaktionen af ​​magnetiske poler den omvendte kvadratlov. Følgelig er elektriske og magnetiske kræfter "langrækkende", og deres virkning mærkes i store afstande fra kilden. Således strækker Jordens magnetfelt sig langt ud i det ydre rum. Solens kraftige magnetfelt fylder hele solsystemet. Der er også galaktiske magnetfelter. Elektromagnetisk interaktion bestemmer strukturen af ​​atomer og er ansvarlig for langt størstedelen af ​​fysiske og kemiske fænomener og processer (undtagen nukleare).

Svagt samspil.

Fysikken har bevæget sig langsomt hen imod at identificere eksistensen af ​​den svage interaktion. Den svage kraft er ansvarlig for partikelhenfald; og derfor blev dens manifestation konfronteret med opdagelsen af ​​radioaktivitet og studiet af beta-henfald. Beta-henfald blev fundet i højeste grad mærkeligt træk. Forskning førte til den konklusion, at dette henfald overtræder en af ​​fysikkens grundlæggende love - loven om energibevarelse. Det så ud til, at i dette henfald forsvandt en del af energien et sted. For at "gemme" loven om energibevarelse foreslog W. Pauli, at der sammen med elektronen udsendes en anden partikel under beta-henfald. Den er neutral og har en usædvanlig høj gennemtrængningsevne, hvorfor den ikke kunne observeres. E. Fermi kaldte den usynlige partikel "neutrino". Men forudsigelsen og påvisningen af ​​neutrinoer er kun begyndelsen på problemet, dets formulering. Det var nødvendigt at forklare neutrinoernes natur, men der forblev meget mystik her. Faktum er, at både elektroner og neutrinoer blev udsendt af ustabile kerner. Men det blev uigendriveligt bevist, at der ikke er sådanne partikler inde i kerner. Hvordan opstod de? Det blev foreslået, at elektroner og neutrinoer ikke eksisterer i kernen i en "klar form", men er på en eller anden måde dannet af energien fra den radioaktive kerne. Yderligere forskning viste, at neutronerne, der indgår i kernen, overladt til sig selv, efter et par minutter henfalder til en proton, elektron og neutrino, dvs. i stedet for én partikel opstår tre nye. Analysen førte til den konklusion, at kendte kræfter kan ikke forårsage en sådan opløsning. Det var tilsyneladende genereret af en anden, ukendt kraft. Forskning har vist, at denne kraft svarer til en eller anden svag interaktion. Det er meget svagere end elektromagnetisk, men stærkere end gravitation. Det spreder sig over meget korte afstande. Radius af den svage interaktion er meget lille. Den svage interaktion stopper i en afstand større end 10n cm (hvor n = - 1 6) fra kilden og kan derfor ikke påvirke makroskopiske objekter, men er begrænset til individuelle subatomære partikler. Efterfølgende viste det sig, at de fleste ustabile elementarpartikler deltager i svage interaktioner. Teorien om svag interaktion blev skabt i slutningen af ​​60'erne af S. Weinberg og A. Salam. Siden Maxwells teori om det elektromagnetiske felt var skabelsen af ​​denne teori det største skridt mod fysikkens enhed. 10.

Stærk interaktion.

Den sidste i rækken af ​​fundamentale interaktioner er den stærke interaktion, som er en kilde til enorm energi. Mest typisk eksempel Den energi, der frigives af den stærke vekselvirkning, er vores sol. I Solens og stjernernes dybder, startende fra et bestemt tidspunkt, opstår der kontinuerligt termonukleære reaktioner forårsaget af stærk interaktion. Men mennesket har også lært at frigive stærke interaktioner: en brintbombe er blevet skabt, teknologier til kontrollerede termonukleare reaktioner er blevet designet og forbedret. Fysik kom til ideen om eksistensen af ​​stærk interaktion under studiet af strukturen atomkerne. En vis kraft skal holde protonerne i kernen og forhindre dem i at spredes under påvirkning af elektrostatisk frastødning. Tyngdekraften er for svag til dette; Det er klart, at der er behov for en vis ny interaktion, desuden stærkere end elektromagnetisk. Det blev efterfølgende opdaget. Det viste sig, at selvom den stærke interaktion væsentligt overstiger alle andre fundamentale interaktioner i sin størrelse, så mærkes den ikke uden for kernen. Handlingsradius ny styrke viste sig at være meget lille. Den stærke kraft falder skarpt i en afstand fra protonen eller neutronen større end omkring 10n cm (hvor n = - 13). Derudover viste det sig, at ikke alle partikler oplever stærke interaktioner. Det opleves af protoner og neutroner, men elektroner, neutrinoer og fotoner er ikke underlagt det. Kun tungere partikler deltager i stærke interaktioner. Den teoretiske forklaring på karakteren af ​​den stærke interaktion har været svær at udvikle. Et gennembrud skete i begyndelsen af ​​60'erne, da kvarkmodellen blev foreslået. I denne teori betragtes neutroner og protoner ikke som elementære partikler, men som sammensatte systemer bygget af kvarker. I fundamentale fysiske interaktioner er forskellen mellem langrækkende og kortdistancekræfter således tydeligt synlig. På den ene side er der interaktioner med ubegrænset rækkevidde (tyngdekraft, elektromagnetisme), og på den anden side interaktioner med kort rækkevidde (stærk og svag). Verden af ​​fysiske elementer som helhed udfolder sig i enhed af disse to polariteter og er legemliggørelsen af ​​enhed af det ekstremt lille og det ekstremt store - kortrækkende handling i mikroverdenen og langrækkende handling i hele universet.

Problemet med fysikkens enhed.

Viden er en generalisering af virkeligheden, og derfor er videnskabens mål søgen efter enhed i naturen, der forbinder uensartede fragmenter af viden til et enkelt billede. For at skabe samlet system, skal åbne forbindende link mellem forskellige grene af viden, nogle grundlæggende forhold. Søgen efter sådanne forbindelser og relationer er en af ​​hovedopgaverne for videnskabelig forskning. Når det er muligt at etablere sådanne nye forbindelser, uddybes forståelsen af ​​omverdenen betydeligt, nye måder at vide på dannes, der viser vejen til hidtil ukendte fænomener. At etablere dybe forbindelser mellem forskellige naturområder er både en syntese af viden og en metode, der leder den videnskabelige forskning ad nye, ubetrampede veje. Newtons opdagelse af sammenhængen mellem tiltrækning af kroppe under jordiske forhold og planeternes bevægelse markerede fødslen klassisk mekanik, på grundlag af hvilken den moderne civilisations teknologiske base er bygget. Etablering af en forbindelse termodynamiske egenskaber gas med molekylers kaotiske bevægelse satte atom-molekylær teori om stof på et solidt grundlag. I midten af ​​forrige århundrede skabte Maxwell en samlet elektromagnetisk teori, der dækkede både elektriske og magnetiske fænomener. Så, i 20'erne af vores århundrede, gjorde Einstein forsøg på at kombinere samlet teori elektromagnetisme og tyngdekraft. Men i midten af ​​det tyvende århundrede. Situationen i fysikken har ændret sig radikalt: to nye fundamentale interaktioner er blevet opdaget - stærke og svage, dvs. mens du skaber samlet fysik vi skal ikke længere regne med to, men med fire fundamentale interaktioner. Dette afkølede noget iveren hos dem, der håbede på hurtig beslutning dette problem. Men selve ideen blev ikke sat alvorligt i tvivl, og begejstringen for ideen om en enkelt beskrivelse forsvandt ikke. Der er et synspunkt om, at alle fire (eller mindst tre) interaktioner repræsenterer fænomener af samme karakter, og deres forenede teoretiske beskrivelse skal findes. Udsigten til at skabe en samlet teori om verden af ​​fysiske elementer baseret på en enkelt grundlæggende interaktion er fortsat meget attraktiv. Dette er det 20. århundredes fysikeres hoveddrøm. Men i lang tid forblev det kun en drøm, og en meget vag. Men i anden halvdel af det tyvende århundrede. der var forudsætninger for virkeliggørelsen af ​​denne drøm og tilliden til, at dette på ingen måde var et spørgsmål om en fjern fremtid. Det ser ud til, at det snart kan blive en realitet. Det afgørende skridt mod en samlet teori blev taget i 60-70'erne. med skabelsen af ​​først teorien om kvarker og derefter teorien om elektrosvag interaktion. Der er grund til at tro, at vi står på tærsklen til en stærkere og dybere forening end nogensinde før. Der er en voksende tro blandt fysikere på, at konturerne af en samlet teori om alle grundlæggende vekselvirkninger - Den Store Forening - begynder at dukke op.

2 . Klassificering af elementarpartikler.

I lang tid har mennesket søgt at kende og forstå den fysiske verden omkring sig. Det viser sig, at al den uendelige række af fysiske processer, der forekommer i vores verden, kan forklares ved eksistensen i naturen af ​​et meget lille antal fundamentale interaktioner. Deres interaktion med hinanden forklarer det ordnede arrangement af himmellegemer i universet. De er "elementerne", der bevæger himmellegemer, genererer lys og gør livet i sig selv muligt (se. Ansøgning ).
Alle processer og fænomener i naturen, hvad enten det er et æblefald, en supernovaeksplosion, en pingvin, der springer eller radioaktivt henfald af stoffer, opstår som følge af disse interaktioner.
Strukturen af ​​stoffet i disse legemer er stabil på grund af bindingerne mellem dets partikler.

1. TYPER AF INTERAKTIONER

På trods af det faktum, at stof indeholder et stort antal elementarpartikler, er der kun fire typer grundlæggende vekselvirkninger mellem dem: gravitationel, svag, elektromagnetisk og stærk.
Den mest omfattende er gravitationel interaktion . Alle materielle interaktioner, uden undtagelse, er underlagt det - både mikropartikler og makrokroppe. Det betyder, at alle elementarpartikler deltager i det. Det manifesterer sig i form af universel tyngdekraft. Tyngdekraft (fra latin Gravitas - tyngde) styrer mest globale processer i universet, i særdeleshed, sikrer strukturen og stabiliteten af ​​vores solsystem. Ifølge moderne begreber opstår hver af interaktionerne som et resultat af udvekslingen af ​​partikler kaldet bærere af denne interaktion. Gravitationsinteraktion udføres gennem udveksling gravitationer .
, ligesom gravitation, er langtrækkende i naturen: de tilsvarende kræfter kan manifestere sig på meget betydelige afstande. Elektromagnetisk interaktion beskrives ved ladninger af én type (elektriske), men disse ladninger kan allerede have to tegn - positive og negative. I modsætning til tyngdekraften kan elektromagnetiske kræfter være både tiltrækkende og frastødende kræfter. Fysisk og Kemiske egenskaber af forskellige stoffer, materialer og selve levende væv bestemmes af denne interaktion. Den driver også alt elektrisk og elektronisk udstyr, dvs. forbinder kun ladede partikler med hinanden. Teori elektromagnetisk interaktion i makrokosmos kaldes det klassisk elektrodynamik.
Svagt samspil mindre kendt udenfor snæver cirkel fysikere og astronomer, men det forringer på ingen måde dens betydning. Det er tilstrækkeligt at sige, at hvis den ikke var der, ville Solen og andre stjerner gå ud, for i de reaktioner, der sikrer deres glød, spiller den svage vekselvirkning en meget vigtig rolle. vigtig rolle. Den svage vekselvirkning er kortrækkende: dens radius er cirka 1000 gange mindre end kernekraftens.
Stærk interaktion – den mest magtfulde af alle de andre. Den definerer kun forbindelser mellem hadroner. Nukleare kræfter, der virker mellem nukleoner i en atomkerne, er en manifestation af denne type interaktion. Det er omkring 100 gange stærkere end elektromagnetisk energi. I modsætning til sidstnævnte (og også tyngdekraften) er den for det første kortrækkende i en afstand større end 10-15 m (i størrelsesordenen af ​​kernens størrelse), de tilsvarende kræfter mellem protoner og neutroner, kraftigt aftagende, ophører at binde dem til hinanden. For det andet kan det kun beskrives tilfredsstillende ved hjælp af tre ladninger (farver), der danner komplekse kombinationer.
Tabel 1 viser groft sagt de vigtigste elementarpartikler, der tilhører hovedgrupperne (hadroner, leptoner, interaktionsbærere).

tabel 1

Deltagelse af grundlæggende elementarpartikler i interaktioner

Det vigtigste kendetegn ved en fundamental interaktion er dens handlingsområde. Aktionsradius er den maksimale afstand mellem partikler, ud over hvilken deres interaktion kan negligeres (Tabel 2). Ved en lille radius kaldes interaktionen korttidsvirkende , med store – Lang distance .

tabel 2

Hovedkarakteristika ved grundlæggende interaktioner

Stærke og svage interaktioner er kortrækkende . Deres intensitet falder hurtigt med stigende afstand mellem partikler. Sådanne interaktioner sker på kort afstand, utilgængelige for sanserne. Af denne grund blev disse interaktioner opdaget senere end andre (kun i det 20. århundrede) ved hjælp af kompleks forsøgsfaciliteter. Elektromagnetiske og gravitationelle interaktioner er langtrækkende . Sådanne interaktioner aftager langsomt med stigende afstand mellem partikler og har ikke et begrænset virkningsområde.

2. INTERAKTION SOM EN FORBINDELSE AF STOFENS STRUKTURER

I atomkernen bestemmer bindingen mellem protoner og neutroner stærk interaktion . Det giver en exceptionel kernestyrke, som ligger til grund for stoffets stabilitet under terrestriske forhold.

Svagt samspil en million gange mindre intens end stærk. Det virker mellem de fleste elementarpartikler, der er placeret i en afstand på mindre end 10-17 m fra hinanden. Svag interaktion bestemmer det radioaktive henfald af uran og termonuklear fusionsreaktioner i Solen. Som du ved, er det solens stråling, der er hovedkilden til liv på Jorden.

Elektromagnetisk interaktion , der er lang rækkevidde, bestemmer strukturen af ​​stoffet uden for rækkevidden af ​​den stærke interaktion. Den elektromagnetiske kraft binder elektroner og kerner i atomer og molekyler. Det kombinerer atomer og molekyler til forskellige stoffer og bestemmer kemiske og biologiske processer. Denne interaktion er karakteriseret ved kræfter af elasticitet, friktion, viskositet og magnetiske kræfter. Især den elektromagnetiske frastødning af molekyler, der befinder sig på korte afstande, forårsager en jordreaktionskraft, som et resultat af, at vi for eksempel ikke falder gennem gulvet. Elektromagnetisk vekselvirkning har ikke en væsentlig effekt på den gensidige bevægelse af makroskopiske legemer stor masse, da hver krop er elektrisk neutral, dvs. den indeholder ca samme nummer positive og negative ladninger.

Gravitationsinteraktion direkte proportional med massen af ​​interagerende legemer. På grund af den lille masse af elementære partikler er gravitationsinteraktionen mellem partikler lille sammenlignet med andre typer interaktion, derfor er denne interaktion ubetydelig i mikroverdenens processer. Når massen af ​​vekselvirkende legemer stiger (dvs. når antallet af partikler, de indeholder stiger), øges tyngdekraftens interaktion mellem legemerne i direkte proportion til deres masse. I denne henseende, i makrokosmos, når man overvejer bevægelsen af ​​planeter, stjerner, galakser såvel som bevægelsen af ​​små makroskopiske legemer i deres felter, bliver gravitationsinteraktionen afgørende. Det rummer atmosfæren, havene og alt levende og ikke-levende på Jorden, Jorden kredser i kredsløb om Solen, Solen i Galaksen. Gravitationsinteraktion spiller en stor rolle i dannelsen og udviklingen af ​​stjerner. Grundlæggende vekselvirkninger af elementarpartikler er afbildet ved hjælp af specielle diagrammer, hvor en reel partikel svarer til en ret linje, og dens vekselvirkning med en anden partikel er afbildet enten med en stiplet linje eller en kurve (fig. 1).

Diagrammer over vekselvirkninger mellem elementarpartikler

Moderne fysiske begreber om grundlæggende interaktioner bliver konstant forfinet. I 1967 Sheldon Glashow, Abdus Salam Og Steven Weinberg skabt en teori, hvorefter de elektromagnetiske og svage interaktioner er en manifestation af en enkelt elektrosvag interaktion. Hvis afstanden fra en elementarpartikel er mindre end aktionsradius svage kræfter(10–17 m), så forsvinder forskellen mellem elektromagnetiske og svage interaktioner. Således blev antallet af grundlæggende interaktioner reduceret til tre.

Teorien om den "store forening".
Nogle fysikere, især G. Georgi og S. Glashow, foreslog, at der under overgangen til højere energier skulle ske en anden fusion - foreningen af ​​den elektrosvage interaktion med den stærke. De tilsvarende teoretiske skemaer kaldes "Grand Unification"-teorien. Og denne teori bliver i øjeblikket testet eksperimentelt. Ifølge denne teori, som kombinerer stærke, svage og elektromagnetiske interaktioner, er der kun to typer af interaktioner: forenet og gravitation. Det er muligt, at alle fire interaktioner kun er delvise manifestationer af en enkelt interaktion. Præmisserne for sådanne antagelser tages i betragtning, når man diskuterer teorien om universets oprindelse (Big Bang-teorien). Teori" Stort brag” forklarer, hvordan kombinationen af ​​stof og energi fødte stjerner og galakser.

Grundlæggende interaktioner

I naturen er der et stort udvalg af naturlige systemer og strukturer, hvis funktioner og udvikling forklares af interaktionen mellem materielle objekter, det vil sige gensidig handling på hinanden. Nemlig interaktion er hovedårsagen til materiens bevægelse, og den er karakteristisk for alle materielle genstande, uanset deres oprindelse og deres systemiske organisation. Interaktion er universel, ligesom bevægelse. Interagerende objekter udveksler energi og momentum (disse er de vigtigste kendetegn ved deres bevægelse). I klassisk fysik interaktion bestemmes af den kraft, hvormed en materiel genstand virker på en anden. I lang tid var paradigmet begrebet lang rækkevidde handling - interaktionen af ​​materielle genstande placeret i stor afstand fra hinanden, og det transmitteres gennem det tomme rum øjeblikkeligt. I øjeblikket er en anden blevet eksperimentelt bekræftet - begrebet kortdistanceinteraktion - interaktion transmitteres ved hjælp af fysiske felter med en endelig hastighed, der ikke overstiger lysets hastighed i et vakuum. Fysisk felt – særlig slags stof, der sikrer vekselvirkningen mellem materielle objekter og deres systemer (følgende felter: elektromagnetisk, gravitationsfelt, kernekraftfelt - svagt og stærkt). Kilden til det fysiske felt er elementære partikler (elektromagnetisk - ladede partikler), i kvanteteori interaktionen er forårsaget af udveksling af feltkvanter mellem partikler.

Der er fire grundlæggende vekselvirkninger i naturen: stærk, elektromagnetisk, svag og tyngdekraft, som bestemmer strukturen af ​​den omgivende verden.

Stærk interaktion(nuklear interaktion) – gensidig tiltrækning komponenter atomkerner (protoner og neutroner) og virker i en afstand af størrelsesordenen 10 -1 3 cm, transmitteret af gluoner. Fra et synspunkt om elektromagnetisk interaktion, en proton og en neutron - forskellige partikler, da protonen er elektrisk ladet, men neutronen ikke. Men ud fra et stærkt samspilssynspunkt er disse partikler ikke til at skelne, da neutronen i en stabil tilstand er en ustabil partikel og henfalder til en proton, elektron og neutrino, men inden for kernen bliver den i sine egenskaber ens med en proton, hvilket er grunden til udtrykket "nukleon (fra lat. kerne- nucleus)” og en proton med en neutron begyndte at blive betragtet som to forskellige tilstande af nukleonen. Jo stærkere vekselvirkningen mellem nukleoner er i kernen, jo mere stabil er kernen, jo større er den specifikke bindingsenergi.

I et stabilt stof øges interaktionen mellem protoner og neutroner ved ikke for høje temperaturer, men hvis der sker en kollision af kerner eller deres dele (højenerginukleoner), så opstår der kernereaktioner, som er ledsaget af frigivelse af enorm energi.

Under visse forhold binder den stærke vekselvirkning meget fast partikler til atomkerner - materialesystemer med høj bindingsenergi. Det er af denne grund, at atomkernerne er meget stabile og svære at ødelægge.

Uden stærke vekselvirkninger ville atomkerner ikke eksistere, og stjerner og Solen ville ikke være i stand til at generere varme og lys ved hjælp af kerneenergi.

Elektromagnetisk interaktion transmitteres ved hjælp af elektriske og magnetiske felter. Et elektrisk felt opstår i nærvær af elektriske ladninger, og et magnetfelt opstår, når de bevæger sig. Et skiftende elektrisk felt genererer et vekslende magnetfelt - dette er kilden til det vekslende magnetiske felt. Denne type interaktion er karakteristisk for elektrisk ladede partikler. Bæreren af ​​elektromagnetisk interaktion er en foton, der ikke har nogen ladning - en kvante af det elektromagnetiske felt. I processen med elektromagnetisk interaktion kombineres elektroner og atomkerner til atomer og atomer til molekyler. I en vis forstand er denne interaktion fundamental i kemi og biologi.

Vi modtager omkring 90 % af informationen om verden omkring os gennem en elektromagnetisk bølge, da forskellige stoftilstande, friktion, elasticitet osv. bestemmes af kræfterne af intermolekylær interaktion, som er elektromagnetisk i naturen. Elektromagnetiske interaktioner er beskrevet af lovene i Coulomb, Ampere og Maxwells elektromagnetiske teori.

Elektromagnetisk interaktion er grundlaget for skabelsen af ​​forskellige elektriske apparater, radioer, fjernsyn, computere mv. Den er omkring tusind gange svagere end en stærk, men meget længere rækkevidde.

Uden elektromagnetiske interaktioner ville der ikke være atomer, molekyler, makroobjekter, varme og lys.

3. Svag interaktion måske mellem forskellige partikler, bortset fra fotonen, den er kortrækkende og manifesterer sig i afstande mindre end atomkernens størrelse 10 -15 - 10 -22 cm Svag vekselvirkning er svagere end stærk vekselvirkning og processer med svag vekselvirkning forløber langsommere end ved stærk interaktion. Ansvarlig for henfaldet af ustabile partikler (for eksempel omdannelsen af ​​en neutron til en proton, elektron, antineutrino). Det er på grund af denne interaktion, at de fleste partikler er ustabile. Bærere af svag interaktion - vioner, partikler med en masse på 100 gange mere masse protoner og neutroner. På grund af denne interaktion skinner Solen (en proton bliver til en neutron, positron, neutrino, den udsendte neutrino har en enorm gennemtrængende evne).

Uden svage interaktioner ville kernereaktioner i Solens og stjernernes dybder ikke være mulige, og nye stjerner ville ikke opstå.

4. Gravitationsinteraktion den svageste, er ikke taget i betragtning i teorien om elementarpartikler, da virkningerne ved karakteristiske afstande (10 -13 cm) er små, og ved ultrasmå afstande (10 -33 cm) og ved ultrahøje energier tyngdekraften bliver vigtig, og de usædvanlige egenskaber ved det fysiske vakuum begynder at dukke op.

Tyngdekraft (fra latin gravitas - "tyngdekraft") - den grundlæggende interaktion er lang rækkevidde (dette betyder, at uanset hvor massiv en krop bevæger sig, afhænger gravitationspotentialet på ethvert tidspunkt i rummet kun af kroppens position ved en given øjeblik i tid) og alle materielle kroppe er underlagt det. Grundlæggende spiller tyngdekraften en afgørende rolle på en kosmisk skala, Megaverdenen.

Inden for rammerne af klassisk mekanik beskrives gravitationsinteraktion loven om universel gravitation Newton, som siger, at tyngdekraftens tiltrækningskraft mellem to materielle massepunkter m 1 og m 2 adskilt af afstand R, Der er

Hvor G- gravitationskonstant.

Uden gravitationsinteraktioner var der ingen galakser, stjerner, planeter eller universets udvikling.

Den tid, hvori omdannelsen af ​​elementarpartikler finder sted, afhænger af styrken af ​​interaktionen (med stærk interaktion forekommer nukleare reaktioner inden for 10 -24 - 10 -23 s., med elektromagnetiske - ændringer sker inden for 10 -19 - 10 -21 s. med svag disintegration inden for 10-10 s.).

Alle interaktioner er nødvendige og tilstrækkelige til opbygningen af ​​en kompleks og mangfoldig materiel verden, hvorfra man ifølge videnskabsmænd kan opnå supermagt(på meget høje temperaturer eller energier, er alle fire interaktioner kombineret i en).

I hverdagen møder vi en række forskellige kræfter, der opstår ved sammenstød af kroppe, friktion, eksplosion, spænding af en tråd, kompression af en fjeder osv. Men alle disse kræfter er resultatet af den elektromagnetiske interaktion af atomer med hinanden. Teorien om elektromagnetisk interaktion blev skabt af Maxwell i 1863.

En anden længe kendt interaktion er gravitationsinteraktionen mellem legemer med masse. I 1915 skabte Einstein generel teori relativitetsteorien, som forbandt gravitationsfeltet med rumtidens krumning.

I 1930'erne Det blev opdaget, at atomkerner består af nukleoner, og hverken elektromagnetiske eller gravitationelle vekselvirkninger kan forklare, hvad der holder nukleonerne i kernen. Den stærke interaktion blev foreslået for at beskrive interaktionen mellem nukleoner i en kerne.

Da vi fortsatte med at studere mikroverdenen, viste det sig, at nogle fænomener ikke er beskrevet af de tre typer af interaktion. Derfor blev den svage interaktion foreslået for at beskrive nedbrydningen af ​​neutronen og andre lignende processer.

I dag er alle kræfter kendt i naturen produktet af fire grundlæggende interaktioner, som kan arrangeres i faldende rækkefølge af intensitet i følgende rækkefølge:

• 1) stærk interaktion;
• 2) elektromagnetisk interaktion;
• 3) svag interaktion;
• 4) gravitationsinteraktion.

Grundlæggende vekselvirkninger bæres af elementarpartikler - bærere af grundlæggende vekselvirkninger. Disse partikler kaldes målebosoner. Processen med grundlæggende vekselvirkninger mellem kroppe kan repræsenteres på følgende måde. Hver krop udsender partikler - bærere af interaktioner, som absorberes af en anden krop. I dette tilfælde oplever kroppene gensidig indflydelse.

Stærk interaktion kan forekomme mellem protoner, neutroner og andre hadroner (se nedenfor). Den er kortrækkende og er kendetegnet ved en aktionsradius af kræfter i størrelsesordenen 10 15 m. Bæreren af ​​stærk interaktion mellem hadroner er pæoner, og varigheden af ​​interaktionen er omkring 10 23 s.

Elektromagnetisk interaktion har fire størrelsesordener lavere intensitet sammenlignet med den stærke interaktion. Det opstår mellem ladede partikler. Elektromagnetisk vekselvirkning er langtidsvirkende og er kendetegnet ved en uendelig virkningsradius af kræfter. Bæreren af ​​elektromagnetisk interaktion er fotoner, og varigheden af ​​interaktionen er omkring 10-20 s.

Svagt samspil har 20 størrelsesordener lavere intensitet sammenlignet med den stærke interaktion. Det kan forekomme mellem hadroner og leptoner (se nedenfor). Leptoner omfatter især elektronen og neutrinoen. Et eksempel på svag interaktion er neutron-p-henfaldet diskuteret ovenfor. Den svage vekselvirkning er kortrækkende og er karakteriseret ved en aktionsradius af kræfter i størrelsesordenen 10 18 m. Bæreren af ​​den svage vekselvirkning er vektor bosoner, og varigheden af ​​interaktionen er omkring 10 10 s.

Gravitationsinteraktion har 40 størrelsesordener lavere intensitet sammenlignet med den stærke interaktion. Det opstår mellem alle partikler. Gravitationsinteraktion er langtidsvirkende og er karakteriseret ved en uendelig aktionsradius af kræfter. Bæreren af ​​gravitationsinteraktion kan være gravitationer. Disse partikler er endnu ikke fundet, hvilket kan skyldes den lave intensitet af gravitationel interaktion. Det hænger også sammen med det faktum, at på grund af de små masser af elementarpartikler er denne interaktion i kernefysikkens processer ubetydelig.

I 1967 foreslog A. Salam og S. Weinberg teori om elektrosvag interaktion, som kombinerede elektromagnetiske og svage interaktioner. I 1973 blev teorien om stærk interaktion skabt kvantekromodynamik. Alt dette gjorde det muligt at skabe standard model elementarpartikler, der beskriver elektromagnetiske, svage og stærke interaktioner. Alle tre typer af interaktion, der betragtes her, opstår som en konsekvens af postulatet om, at vores verden er symmetrisk med hensyn til tre typer af måletransformationer.