Grunnleggende interaksjoner og deres typer. Interaksjon

Interaksjon i fysikk er påvirkning av kropper eller partikler på hverandre, noe som fører til en endring i deres bevegelse.

Nærhet og langdistansehandling (eller handling på avstand). Det har lenge vært to synspunkter i fysikk om hvordan kropper samhandler. Den første av dem antok tilstedeværelsen av en eller annen agent (for eksempel eter), gjennom hvilken en kropp overfører sin innflytelse til en annen, og med terminal hastighet. Dette er teorien om kortdistansehandling. Den andre antok at interaksjonen mellom kropper skjer gjennom tomt rom, som ikke tar noen del i overføringen av interaksjon, og overføringen skjer øyeblikkelig. Dette er teorien om langdistansehandling. Det så ut til at hun endelig hadde vunnet etter at Newton oppdaget loven universell gravitasjon. For eksempel ble det antatt at jordens bevegelse umiddelbart skulle føre til en endring i gravitasjonskraften som virker på månen. I tillegg til Newton selv, ble konseptet med langdistansehandling senere fulgt opp av Coulomb og Ampere.

Etter oppdagelsen og studien av det elektromagnetiske feltet (se Elektromagnetisk felt) ble teorien om langdistansevirkning avvist, siden det ble bevist at samspillet mellom elektrisk ladede legemer ikke skjer umiddelbart, men med en begrenset hastighet ( lik hastighet lys: c = 3 108 m/s) og bevegelsen til en av ladningene fører til en endring i kreftene som virker på andre ladninger, ikke øyeblikkelig, men etter en tid. reiste seg ny teori kortdistanse interaksjon, som deretter ble utvidet til alle andre typer interaksjoner. I følge teorien om kortdistansehandling utføres interaksjon gjennom tilsvarende felt som omgir kroppene og kontinuerlig fordelt i rommet (dvs. feltet er mellomleddet som overfører handlingen til en kropp til en annen). Interaksjon elektriske ladninger- gjennom et elektromagnetisk felt, universell gravitasjon - gjennom et gravitasjonsfelt.

I dag kjenner fysikken fire typer grunnleggende interaksjoner eksisterer i naturen (i rekkefølge med økende intensitet): gravitasjon, svak, elektromagnetisk og sterk samhandling.

Fundamentale interaksjoner er de som ikke kan reduseres til andre typer interaksjoner.

Interaksjon Samvirkende partikler "Slektning Aksjonsradius, m intensitet Gravitasjon Alt unntatt fotonet Elektromagnetisk Ladede partikler

Fundamentale interaksjoner varierer i intensitet og rekkevidde (se tabell 1.1). Aksjonsradius er den maksimale avstanden mellom partiklene, utover hvilken deres interaksjon kan neglisjeres.

I henhold til aksjonsradius deles fundamentale interaksjoner inn i langdistanse (gravitasjon og elektromagnetisk) og kortdistanse (svak og sterk) (se tabell 1.1).

Gravitasjonsinteraksjon er universell: alle kropper i naturen deltar i den - fra stjerner, planeter og galakser til mikropartikler: atomer, elektroner, kjerner. Handlingsspekteret er uendelig. Imidlertid, som for elementære partikler mikroverden, og for objektene som omgir oss i maktens makroverden gravitasjonsinteraksjon så små at de kan neglisjeres (se tabell 1.1). Det blir merkbart med økende masse av samvirkende kropper og bestemmer derfor atferd himmellegemer og dannelsen og utviklingen av stjerner.

Den svake interaksjonen er iboende i alle elementærpartikler bortsett fra fotonet. Det er ansvarlig for flertallet kjernefysiske reaksjoner forfall og mange transformasjoner av elementærpartikler.

Elektromagnetisk interaksjon bestemmer materiens struktur, forbinder elektroner og kjerner i atomer og molekyler, og kombinerer atomer og molekyler til ulike stoffer. Det bestemmer kjemiske og biologiske prosesser. Elektromagnetisk interaksjon er årsaken til slike fenomener som elastisitet, friksjon, viskositet, magnetisme og utgjør naturen til de tilsvarende kreftene. Det har ingen signifikant effekt på bevegelsen til makroskopiske elektrisk nøytrale legemer.

Den sterke interaksjonen skjer mellom hadroner, som er det som holder nukleonene i kjernen.

I 1967 skapte Sheldon Glashow, Abdus Salam og Steven Weinberg en teori som kombinerte elektromagnetisk og svak interaksjon til en enkelt elektrosvak interaksjon med en rekkevidde på 10~17 m, innenfor hvilken forskjellen mellom svak og elektromagnetisk interaksjon forsvinner.

For tiden har teorien om storslått forening blitt fremsatt, ifølge hvilken det bare er to typer interaksjoner: enhetlig, som inkluderer sterke, svake og elektromagnetiske interaksjoner, og gravitasjonsinteraksjoner.

Det er også en antagelse om at alle fire interaksjoner er spesielle tilfeller av manifestasjonen av en enkelt interaksjon.

I mekanikk er den gjensidige virkningen av kropper på hverandre preget av kraft (se Kraft). Mer generell karakteristikk interaksjon er potensiell energi(se Potensiell energi).

Krefter i mekanikk er delt inn i gravitasjon, elastisk og friksjon. Som nevnt ovenfor, er naturen til mekaniske krefter bestemt av gravitasjons- og elektromagnetiske interaksjoner. Bare disse interaksjonene kan betraktes som krefter i betydningen Newtonsk mekanikk. Sterke (kjernefysiske) og svake interaksjoner manifesterer seg på så små avstander at Newtons mekanikklover, og med dem konseptet mekanisk kraft miste sin mening. Derfor bør begrepet «kraft» i disse tilfellene oppfattes som «samhandling».

1.1. Tyngdekraften.

1.2. Elektromagnetisme.

1.3. Svak interaksjon.

1.4. Problemet med fysikkens enhet.

2. Klassifisering av elementærpartikler.

2.1. karakteristisk subatomære partikler.

2.2. leptoner.

2.3. Hadroner.

2.4. Partikler er bærere av interaksjoner.

3. Teorier om elementærpartikler.

3.1. Kvanteelektrodynamikk.

3.2. Quark teori.

3.3. Teori om elektrosvak interaksjon.

3.4. Kvantekromodynamikk.

3.5. På vei mot stor samling.

Bibliografi.

Introduksjon.

I midten og andre halvdel av det tjuende århundre ble virkelig fantastiske resultater oppnådd i de grenene av fysikk som studerer materiens grunnleggende struktur. Først av alt, manifesterte dette seg i oppdagelsen av en hel rekke nye subatomære partikler. De kalles vanligvis elementærpartikler, men ikke alle er virkelig elementære. Mange av dem består på sin side av enda flere elementære partikler. Verden av subatomære partikler er virkelig mangfoldig. Disse inkluderer protoner og nøytroner som utgjør atomkjerner, samt elektroner som går i bane rundt kjernene. Men det er også partikler som praktisk talt aldri finnes i materien rundt oss. Levetiden deres er ekstremt kort, det er de minste brøkdelene av et sekund. Etter denne ekstremt korte tiden går de i oppløsning til vanlige partikler. Det er et utrolig antall slike ustabile kortlivede partikler: flere hundre av dem er allerede kjent. På 1960- og 1970-tallet ble fysikere fullstendig forvirret over antallet, variasjonen og merkeligheten til de nyoppdagede subatomære partiklene. Det så ut til at det ikke var slutt på dem. Det er helt uklart hvorfor det er så mange partikler. Er disse elementærpartiklene kaotiske og tilfeldige fragmenter av materie? Eller kanskje de har nøkkelen til å forstå universets struktur? Utviklingen av fysikk i de påfølgende tiårene viste at det ikke er noen tvil om eksistensen av en slik struktur. På slutten av det tjuende århundre. fysikk begynner å forstå betydningen av hver av elementærpartiklene. Verden av subatomære partikler er preget av en dyp og rasjonell orden. Denne rekkefølgen er basert på grunnleggende fysiske interaksjoner.

1. Grunnleggende fysiske interaksjoner.

I din Hverdagen en person står overfor mange krefter som virker på kroppene deres. Her er vindens kraft eller den motgående vannstrømmen, lufttrykk, en kraftig frigjøring av eksplosive kjemikalier, menneskelig muskelstyrke, vekten av tunge gjenstander, trykket fra lette kvanter, tiltrekning og frastøting av elektriske ladninger, seismiske bølger som noen ganger forårsaker katastrofale ødeleggelser, og vulkanutbrudd som førte til sivilisasjonens død, osv. Noen krefter virker direkte ved kontakt med kroppen, andre, for eksempel tyngdekraften, virker på avstand, gjennom rommet. Men, som det viste seg som et resultat av utviklingen av teoretisk naturvitenskap, til tross for et så stort mangfold, kan alle krefter som opererer i naturen reduseres til bare fire grunnleggende interaksjoner. Det er disse interaksjonene som til syvende og sist er ansvarlige for alle endringer i verden, de er kilden til alle transformasjoner av kropper og prosesser. Studiet av egenskapene til fundamentale interaksjoner er hovedoppgave moderne fysikk.

Tyngdekraften.

I fysikkens historie ble tyngdekraften (tyngdekraften) den første av de fire grunnleggende interaksjonene som ble gjenstand for vitenskapelig forskning. Etter dens opptreden i det syttende århundre. Newtons gravitasjonsteori – loven om universell gravitasjon – klarte for første gang å innse tyngdekraftens sanne rolle som en naturkraft. Tyngdekraften har en rekke funksjoner som skiller den fra andre grunnleggende interaksjoner. Det mest overraskende trekk ved tyngdekraften er dens lave intensitet. Størrelsen på gravitasjonsinteraksjonen mellom komponentene i et hydrogenatom er 10n, hvor n = - 3 9, basert på kraften til interaksjonen til elektriske ladninger. (Hvis dimensjonene til hydrogenatomet ble bestemt av tyngdekraften, og ikke av samspillet mellom elektriske ladninger, ville den laveste (nærmeste kjernen) bane av elektronet være større i størrelse enn den observerbare delen av universet!) ( Hvis dimensjonene til hydrogenatomet ble bestemt av tyngdekraften, og ikke av samspillet mellom elektriske ladninger, ville den laveste (nærmeste kjernen) elektronbane være større enn den observerbare delen av universet!). Det kan virke overraskende at vi i det hele tatt føler tyngdekraften, siden den er så svak. Hvordan kan hun bli den dominerende kraften i universet? Det handler om den andre fantastiske egenskapen til tyngdekraften - dens universalitet. Ingenting i universet er fritt for tyngdekraften. Hver partikkel opplever tyngdekraftens virkning og er i seg selv en kilde til tyngdekraften. Siden hver partikkel av materie utøver en gravitasjonskraft, øker tyngdekraften når større klumper av materie dannes. Vi føler tyngdekraften i hverdagen fordi alle atomene på jorden jobber sammen for å tiltrekke oss. Og selv om effekten av gravitasjonstiltrekningen til ett atom er ubetydelig, kan den resulterende tiltrekningskraften fra alle atomer være betydelig. Tyngdekraften er en langdistansekraft i naturen. Dette betyr at selv om intensiteten av gravitasjonsinteraksjonen avtar med avstanden, sprer den seg i rommet og kan påvirke kropper som er svært fjernt fra kilden. På en astronomisk skala har gravitasjonsinteraksjoner en tendens til å spille en stor rolle. Takket være langdistansevirkning forhindrer tyngdekraften at universet faller fra hverandre: det holder planeter i baner, stjerner i galakser, galakser i klynger, klynger i Metagalaksen. Tyngdekraften som virker mellom partiklene er alltid en tiltrekkende kraft: den har en tendens til å bringe partiklene nærmere hverandre. Gravitasjonsavstøtning har aldri blitt observert før (selv om det i tradisjonene til kvasi-vitenskapelig mytologi er et helt felt kalt levitasjon - søket etter "fakta" om antigravitasjon). Siden energien som er lagret i enhver partikkel alltid er positiv og gir den positiv masse, har partikler under påvirkning av tyngdekraften alltid en tendens til å komme nærmere. Hva er tyngdekraften, et bestemt felt eller en manifestasjon av krumningen av rom-tid - det er fortsatt ikke noe klart svar på dette spørsmålet. Som vi allerede har bemerket, er det forskjellige meninger og konsepter fra fysikere om denne saken.

Elektromagnetisme.

Etter størrelse elektriske krefter langt overlegen tyngdekraften. I motsetning til den svake gravitasjonsinteraksjonen, kan de elektriske kreftene som virker mellom legemer av normal størrelse lett observeres. Elektromagnetisme har vært kjent for folk siden uminnelige tider (auroras, lyn, etc.). I lang tid ble elektriske og magnetiske prosesser studert uavhengig av hverandre. Som vi allerede vet, ble det avgjørende skrittet i kunnskapen om elektromagnetisme gjort på midten av 1800-tallet. J.C. Maxwell, som kombinerte elektrisitet og magnetisme i en enhetlig teori om elektromagnetisme - den første enhetlige feltteorien. Eksistensen av elektronet ble godt etablert på 90-tallet av forrige århundre. Det er nå kjent at den elektriske ladningen til enhver materiepartikkel alltid er et multiplum av den grunnleggende ladningsenheten - et slags ladningsatom. Hvorfor det er slik er et ekstremt interessant spørsmål. Imidlertid er ikke alle materialpartikler bærere av elektrisk ladning. For eksempel er fotonet og nøytrinoet elektrisk nøytrale. I denne forbindelse er elektrisitet forskjellig fra tyngdekraften. Alle materialpartikler skaper et gravitasjonsfelt, mens med elektromagnetisk felt Bare ladede partikler er bundet. Som elektriske ladninger, som magnetiske poler frastøter seg, og motsatte tiltrekker seg. Imidlertid, i motsetning til elektriske ladninger, forekommer magnetiske poler ikke individuelt, men bare i par - Nordpolen og sørpolen. Siden antikken har det vært kjent forsøk på å oppnå, ved å dele en magnet, bare en isolert magnetisk pol - en monopol. Men de endte alle i fiasko. Kanskje eksistensen av isolerte magnetiske poler umulig i naturen? Det er ikke noe sikkert svar på dette spørsmålet ennå. Noen teoretiske konsepter åpner for muligheten for en monopol. I likhet med elektriske og gravitasjonsmessige interaksjoner, følger samspillet mellom magnetiske poler den omvendte kvadratloven. Følgelig er elektriske og magnetiske krefter "langdistanse", og effekten deres merkes i store avstander fra kilden. Dermed strekker jordens magnetfelt seg langt ut i verdensrommet. Solens kraftige magnetfelt fyller hele solsystemet. Det er også galaktiske magnetfelt. Elektromagnetisk interaksjon bestemmer strukturen til atomer og er ansvarlig for de aller fleste fysiske og kjemiske fenomener og prosesser (unntatt kjernefysiske).

Svak interaksjon.

Fysikken har beveget seg sakte mot å identifisere eksistensen av den svake interaksjonen. Den svake kraften er ansvarlig for partikkelforfall; og derfor ble dens manifestasjon konfrontert med oppdagelsen av radioaktivitet og studiet av beta-forfall. Beta-forfall ble funnet i høyeste grad merkelig funksjon. Forskning førte til konklusjonen at dette forfallet bryter med en av fysikkens grunnleggende lover - loven om bevaring av energi. Det så ut til at i dette forfallet forsvant en del av energien et sted. For å "redde" loven om bevaring av energi, foreslo W. Pauli at sammen med elektronet, under beta-nedbrytning, sendes en annen partikkel ut. Den er nøytral og har en uvanlig høy penetrasjonsevne, som et resultat av at den ikke kunne observeres. E. Fermi kalte den usynlige partikkelen "nøytrino". Men spådommen og deteksjonen av nøytrinoer er bare begynnelsen på problemet, dets formulering. Det var nødvendig å forklare naturen til nøytrinoer, men det gjensto mye mystikk her. Faktum er at både elektroner og nøytrinoer ble sendt ut av ustabile kjerner. Men det ble ugjendrivelig bevist at det ikke er slike partikler inne i kjerner. Hvordan oppsto de? Det ble antydet at elektroner og nøytrinoer ikke eksisterer i kjernen i en "klar form", men på en eller annen måte dannes fra energien til den radioaktive kjernen. Videre forskning viste at nøytronene som inngår i kjernen, overlatt til seg selv, etter noen minutter forfaller til et proton, elektron og nøytrino, dvs. i stedet for én partikkel dukker det opp tre nye. Analysen førte til konklusjonen at kjente krefter kan ikke forårsake slikt forfall. Den ble tilsynelatende generert av en annen, ukjent styrke. Forskning har vist at denne kraften tilsvarer en viss svak interaksjon. Den er mye svakere enn elektromagnetisk, selv om den er sterkere enn gravitasjon. Den sprer seg over svært korte avstander. Radiusen til den svake interaksjonen er veldig liten. Den svake interaksjonen stopper i en avstand større enn 10n cm (der n = - 1 6) fra kilden og kan derfor ikke påvirke makroskopiske objekter, men begrenses til individuelle subatomære partikler. Deretter viste det seg at de fleste ustabile elementærpartikler deltar i svake interaksjoner. Teorien om svak interaksjon ble skapt på slutten av 60-tallet av S. Weinberg og A. Salam. Siden Maxwells teori om det elektromagnetiske feltet var etableringen av denne teorien det største skrittet mot fysikkens enhet. 10.

Sterk interaksjon.

Den siste i rekken av grunnleggende interaksjoner er den sterke interaksjonen, som er en kilde til enorm energi. Mest typisk eksempel Energien som frigjøres av den sterke interaksjonen er vår sol. I dypet av solen og stjernene, fra en viss tid, skjer det kontinuerlig termonukleære reaksjoner forårsaket av sterk interaksjon. Men mennesket har også lært å frigjøre sterke interaksjoner: en hydrogenbombe er laget, teknologier for kontrollerte termonukleære reaksjoner er designet og forbedret. Fysikk kom til ideen om eksistensen av sterk interaksjon under studiet av strukturen atomkjernen. Noe kraft må holde protonene i kjernen, og hindre dem i å spre seg under påvirkning av elektrostatisk frastøtning. Tyngdekraften er for svak til dette; Det er åpenbart nødvendig med noe ny interaksjon, dessuten sterkere enn elektromagnetisk. Det ble senere oppdaget. Det viste seg at selv om den sterke interaksjonen betydelig overstiger alle andre fundamentale interaksjoner i sin størrelse, føles den ikke utenfor kjernen. Handlingsradius ny styrke viste seg å være veldig liten. Den sterke kraften faller kraftig av i en avstand fra protonet eller nøytronet større enn ca. 10n cm (hvor n = - 13). I tillegg viste det seg at ikke alle partikler opplever sterke interaksjoner. Det oppleves av protoner og nøytroner, men elektroner, nøytrinoer og fotoner er ikke underlagt det. Bare tyngre partikler deltar i sterke interaksjoner. Den teoretiske forklaringen på karakteren av det sterke samspillet har vært vanskelig å utvikle. Et gjennombrudd kom tidlig på 60-tallet, da kvarkmodellen ble foreslått. I denne teorien betraktes nøytroner og protoner ikke som elementære partikler, men som sammensatte systemer bygget av kvarker. I grunnleggende fysiske interaksjoner er forskjellen mellom langdistanse- og kortdistansekrefter tydelig synlig. På den ene siden er det interaksjoner med ubegrenset rekkevidde (tyngdekraft, elektromagnetisme), og på den andre interaksjoner med kort rekkevidde (sterk og svak). Verden av fysiske elementer som helhet utfolder seg i enheten av disse to polaritetene og er legemliggjørelsen av enheten til de ekstremt små og de ekstremt store - kortdistansehandlinger i mikroverdenen og langdistansehandlinger i hele universet.

Problemet med fysikkens enhet.

Kunnskap er en generalisering av virkeligheten, og derfor er vitenskapens mål søket etter enhet i naturen, og kobler ulike fragmenter av kunnskap til et enkelt bilde. For å skape enhetlig system, må åpne kobling mellom ulike kunnskapsgrener, et eller annet grunnleggende forhold. Jakten på slike sammenhenger og relasjoner er en av hovedoppgavene til vitenskapelig forskning. Når det er mulig å etablere slike nye forbindelser, blir forståelsen av omverdenen betydelig dypere, nye måter å vite på blir dannet som viser vei til tidligere ukjente fenomener. Å etablere dype forbindelser mellom ulike naturområder er både en syntese av kunnskap og en metode som styrer vitenskapelig forskning langs nye, uberørte veier. Newtons oppdagelse av sammenhengen mellom tiltrekningen av kropper under terrestriske forhold og planetenes bevegelse markerte fødselen klassisk mekanikk, på grunnlag av hvilken den teknologiske basen til moderne sivilisasjon er bygget. Etablere en forbindelse termodynamiske egenskaper gass ​​med kaotisk bevegelse av molekyler satte den atom-molekylære teorien om materie på et solid grunnlag. I midten av forrige århundre skapte Maxwell en enhetlig elektromagnetisk teori som dekket både elektriske og magnetiske fenomener. Så, på 20-tallet av vårt århundre, gjorde Einstein forsøk på å kombinere enhetlig teori elektromagnetisme og gravitasjon. Men ved midten av det tjuende århundre. Situasjonen i fysikk har endret seg radikalt: to nye fundamentale interaksjoner har blitt oppdaget - sterke og svake, dvs. mens du lager enhetlig fysikk vi trenger ikke lenger å regne med to, men med fire fundamentale interaksjoner. Dette kjølte noe ned iveren til de som håpet på rask avgjørelse dette problemet. Men selve ideen ble ikke satt alvorlig spørsmålstegn ved, og entusiasmen for ideen om en enkelt beskrivelse forsvant ikke. Det er et synspunkt at alle fire (eller minst tre) interaksjoner representerer fenomener av samme natur og deres enhetlige teoretiske beskrivelse må finnes. Utsiktene til å skape en enhetlig teori om verden av fysiske elementer basert på en enkelt grunnleggende interaksjon er fortsatt veldig attraktivt. Dette er hoveddrømmen til det 20. århundres fysikere. Men i lang tid forble det bare en drøm, og en veldig vag en. Imidlertid, i andre halvdel av det tjuende århundre. det var forutsetninger for realiseringen av denne drømmen og tilliten til at dette på ingen måte var et spørsmål om en fjern fremtid. Det ser ut til at det snart kan bli en realitet. Det avgjørende skrittet mot en enhetlig teori ble tatt på 60-70-tallet. med etableringen først av teorien om kvarker, og deretter av teorien om elektrosvak interaksjon. Det er grunn til å tro at vi står på terskelen til en kraftigere og dypere forening enn noen gang før. Det er en økende tro blant fysikere på at konturene av en enhetlig teori om alle grunnleggende interaksjoner – den store foreningen – begynner å dukke opp.

2 . Klassifisering av elementærpartikler.

I lang tid har mennesket søkt å kjenne og forstå den fysiske verden rundt seg. Det viser seg at all den uendelige variasjonen av fysiske prosesser som forekommer i vår verden kan forklares med eksistensen i naturen av et veldig lite antall grunnleggende interaksjoner. Deres interaksjon med hverandre forklarer den ordnede ordningen av himmellegemer i universet. De er "elementene" som beveger himmellegemene, genererer lys og gjør livet i seg selv mulig (se. applikasjon ).
Dermed oppstår alle prosesser og fenomener i naturen, det være seg et eplefall, en supernovaeksplosjon, en pingvin som hopper eller radioaktivt forfall av stoffer, som et resultat av disse interaksjonene.
Strukturen til stoffet i disse kroppene er stabil på grunn av bindingene mellom dets bestanddeler.

1. TYPER INTERAKSJONER

Til tross for at materie inneholder et stort antall elementærpartikler, er det bare fire typer grunnleggende interaksjoner mellom dem: gravitasjon, svak, elektromagnetisk og sterk.
Det mest omfattende er gravitasjonsmessig interaksjon . Alle materielle interaksjoner, uten unntak, er underlagt det - både mikropartikler og makrokropper. Dette betyr at alle elementærpartikler deltar i det. Det manifesterer seg i form av universell tyngdekraft. Tyngdekraften (fra latin Gravitas - tyngde) styrer mest globale prosesser i universet, spesielt, sikrer strukturen og stabiliteten til vår solsystemet. I følge moderne konsepter oppstår hver av interaksjonene som et resultat av utveksling av partikler kalt bærere av denne interaksjonen. Gravitasjonsinteraksjon utføres gjennom utveksling gravitasjoner .
, som gravitasjon, er langdistanse i naturen: de tilsvarende kreftene kan manifestere seg på svært betydelige avstander. Elektromagnetisk interaksjon er beskrevet av ladninger av én type (elektriske), men disse ladningene kan allerede ha to tegn - positive og negative. I motsetning til tyngdekraften kan elektromagnetiske krefter være både tiltrekkende og frastøtende krefter. Fysisk og Kjemiske egenskaper av ulike stoffer, materialer og levende vev i seg selv bestemmes av denne interaksjonen. Den driver også alt elektrisk og elektronisk utstyr, dvs. kobler kun ladede partikler med hverandre. Teori elektromagnetisk interaksjon i makrokosmos kalles det klassisk elektrodynamikk.
Svak interaksjon mindre kjent utenfor smal sirkel fysikere og astronomer, men dette forringer ikke på noen måte betydningen. Det er nok å si at hvis den ikke var der, ville solen og andre stjerner gått ut, for i reaksjonene som sikrer deres glød, spiller den svake interaksjonen en veldig viktig rolle. viktig rolle. Den svake interaksjonen er kortdistanse: dens radius er omtrent 1000 ganger mindre enn kjernefysiske krefter.
Sterk interaksjon – den mektigste av alle de andre. Den definerer bare forbindelser mellom hadroner. Kjernekrefter som virker mellom nukleoner i en atomkjerne er en manifestasjon av denne typen interaksjon. Den er omtrent 100 ganger sterkere enn elektromagnetisk energi. I motsetning til sistnevnte (og også gravitasjon), er den for det første kortdistanse i en avstand større enn 10–15 m (i størrelsesorden størrelsen på kjernen), de tilsvarende kreftene mellom protoner og nøytroner, kraftig avtagende, opphører å binde dem til hverandre. For det andre kan det beskrives tilfredsstillende bare ved hjelp av tre ladninger (farger) som danner komplekse kombinasjoner.
Tabell 1 viser grovt sett de viktigste elementærpartiklene som tilhører hovedgruppene (hadroner, leptoner, interaksjonsbærere).

Tabell 1

Deltagelse av grunnleggende elementærpartikler i interaksjoner

Den viktigste egenskapen til en grunnleggende interaksjon er dens handlingsområde. Aksjonsradius er den maksimale avstanden mellom partiklene, utover hvilken deres interaksjon kan neglisjeres (Tabell 2). Ved en liten radius kalles interaksjonen korttidsvirkende , med store – lang rekkevidde .

tabell 2

Hovedtrekk ved grunnleggende interaksjoner

Sterke og svake interaksjoner er kortreiste . Intensiteten deres avtar raskt med økende avstand mellom partiklene. Slike interaksjoner skjer på kort avstand, utilgjengelige for sansene. Av denne grunn ble disse interaksjonene oppdaget senere enn andre (bare på 1900-tallet) ved bruk av kompleks forsøksanlegg. Elektromagnetiske og gravitasjonsinteraksjoner har lang rekkevidde . Slike interaksjoner avtar sakte med økende avstand mellom partiklene og har ikke et begrenset virkeområde.

2. SAMSPILL SOM EN FORBINDELSE AV STRUKTURER AV MATERIE

I atomkjernen bestemmer bindingen mellom protoner og nøytroner sterk samhandling . Det gir eksepsjonell kjernestyrke, som ligger til grunn for stoffets stabilitet under terrestriske forhold.

Svak interaksjon en million ganger mindre intens enn sterk. Det virker mellom de fleste elementære partikler som ligger i en avstand på mindre enn 10–17 m fra hverandre. Svak interaksjon bestemmer det radioaktive forfallet av uran og termonukleære fusjonsreaksjoner i solen. Som du vet, er det strålingen fra solen som er hovedkilden til liv på jorden.

Elektromagnetisk interaksjon , som er langdistanse, bestemmer strukturen til materie utenfor rekkevidden til den sterke interaksjonen. Den elektromagnetiske kraften binder elektroner og kjerner i atomer og molekyler. Den kombinerer atomer og molekyler til ulike stoffer og bestemmer kjemiske og biologiske prosesser. Denne interaksjonen er preget av krefter av elastisitet, friksjon, viskositet og magnetiske krefter. Spesielt den elektromagnetiske frastøtningen av molekyler som befinner seg på korte avstander forårsaker en bakkereaksjonskraft, som et resultat av at vi for eksempel ikke faller gjennom gulvet. Elektromagnetisk interaksjon har ingen signifikant effekt på den gjensidige bevegelsen til makroskopiske legemer stor masse, siden hver kropp er elektrisk nøytral, dvs. den inneholder ca samme nummer positive og negative ladninger.

Gravitasjonsinteraksjon direkte proporsjonal med massen av samvirkende kropper. På grunn av den lille massen av elementære partikler, er gravitasjonsinteraksjonen mellom partikler liten sammenlignet med andre typer interaksjon, derfor er denne interaksjonen ubetydelig i prosessene til mikroverdenen. Når massen av vekselvirkende kropper øker (dvs. når antallet partikler de inneholder øker), øker gravitasjonsvekselvirkningen mellom kroppene i direkte proporsjon med massen deres. I denne forbindelse, i makrokosmos, når man vurderer bevegelsen til planeter, stjerner, galakser, så vel som bevegelsen av små makroskopiske kropper i feltene deres, blir gravitasjonsinteraksjonen avgjørende. Den holder atmosfæren, havene og alt levende og ikke-levende på jorden, Jorden som roterer i bane rundt Solen, Solen i galaksen. Gravitasjonsinteraksjon spiller en stor rolle i dannelsen og utviklingen av stjerner. Grunnleggende interaksjoner av elementærpartikler er avbildet ved hjelp av spesielle diagrammer, der en reell partikkel tilsvarer en rett linje, og dens interaksjon med en annen partikkel er avbildet enten med en stiplet linje eller en kurve (fig. 1).

Diagrammer over interaksjoner av elementærpartikler

Moderne fysiske begreper om grunnleggende interaksjoner foredles stadig. I 1967 Sheldon Glashow, Abdus Salam Og Steven Weinberg skapte en teori der de elektromagnetiske og svake interaksjonene er en manifestasjon av en enkelt elektrosvak interaksjon. Hvis avstanden fra en elementær partikkel er mindre enn aksjonsradiusen svake krefter(10–17 m), da forsvinner forskjellen mellom elektromagnetiske og svake interaksjoner. Dermed ble antallet grunnleggende interaksjoner redusert til tre.

Teorien om "den store foreningen".
Noen fysikere, spesielt G. Georgi og S. Glashow, foreslo at under overgangen til høyere energier skulle en annen fusjon skje - foreningen av den elektrosvake interaksjonen med den sterke. De tilsvarende teoretiske skjemaene kalles "Grand Unification"-teorien. Og denne teorien testes for tiden eksperimentelt. I følge denne teorien, som kombinerer sterke, svake og elektromagnetiske interaksjoner, er det bare to typer interaksjoner: enhetlig og gravitasjonsmessig. Det er mulig at alle fire interaksjoner bare er delvise manifestasjoner av en enkelt interaksjon. Premissene for slike antakelser vurderes når man diskuterer teorien om universets opprinnelse (Big Bang-teorien). Teori" Det store smellet” forklarer hvordan kombinasjonen av materie og energi fødte stjerner og galakser.

Grunnleggende interaksjoner

I naturen er det et stort utvalg av naturlige systemer og strukturer, hvis funksjoner og utvikling forklares av samspillet mellom materielle objekter, det vil si gjensidig handling på hverandre. Nøyaktig interaksjon er hovedårsaken til bevegelse av materie og den er karakteristisk for alle materielle objekter, uavhengig av deres opprinnelse og deres systemiske organisering. Interaksjon er universell, det samme er bevegelse. Samvirkende gjenstander utveksler energi og momentum (dette er hovedkarakteristikkene ved bevegelsen deres). I klassisk fysikk interaksjon bestemmes av kraften som en materiell gjenstand virker på en annen. I lang tid var paradigmet konseptet med langdistansehandling - samspillet mellom materielle objekter som befinner seg i stor avstand fra hverandre, og det overføres øyeblikkelig gjennom tomt rom. For øyeblikket har en annen blitt eksperimentelt bekreftet - konsept for kortdistanse interaksjon - interaksjon overføres ved hjelp av fysiske felt med en begrenset hastighet som ikke overstiger lysets hastighet i et vakuum. Fysisk felt – spesiell type materie som sikrer samspillet mellom materielle objekter og deres systemer (følgende felt: elektromagnetisk, gravitasjonsfelt, kjernekraftfelt - svakt og sterkt). Kilden til det fysiske feltet er elementærpartikler (elektromagnetiske - ladede partikler), i kvanteteori interaksjonen er forårsaket av utveksling av feltkvanter mellom partikler.

Det er fire grunnleggende interaksjoner i naturen: sterk, elektromagnetisk, svak og gravitasjon, som bestemmer strukturen til omverdenen.

Sterk interaksjon(kjernefysisk interaksjon) – gjensidig tiltrekning komponenter atomkjerner (protoner og nøytroner) og virker i en avstand i størrelsesorden 10 -1 3 cm, overført av gluoner. Fra synspunktet om elektromagnetisk interaksjon, et proton og et nøytron - forskjellige partikler, siden protonet er elektrisk ladet, men nøytronet ikke er det. Men fra synspunktet om sterk interaksjon er disse partiklene umulige å skille, siden nøytronet i en stabil tilstand er en ustabil partikkel og henfaller til et proton, elektron og nøytrino, men i kjernen blir det likt et proton i sine egenskaper, som er grunnen til at begrepet "nukleon (fra lat. cellekjernen- nucleus)» og et proton med et nøytron begynte å bli betraktet som to forskjellige tilstander av nukleonet. Jo sterkere interaksjonen mellom nukleoner er i kjernen, jo mer stabil kjernen er, jo større er den spesifikke bindingsenergien.

I et stabilt stoff øker samspillet mellom protoner og nøytroner ved ikke for høye temperaturer, men hvis det oppstår en kollisjon av kjerner eller deres deler (høyenerginukleoner), oppstår det kjernereaksjoner, som er ledsaget av frigjøring av enorm energi.

Under visse forhold binder den sterke interaksjonen partikler veldig fast til atomkjerner - materialsystemer med høy bindingsenergi. Det er av denne grunn at atomkjernene er veldig stabile og vanskelige å ødelegge.

Uten sterke interaksjoner ville ikke atomkjerner eksistert, og stjerner og sola ville ikke være i stand til å generere varme og lys ved hjelp av kjerneenergi.

Elektromagnetisk interaksjon overføres ved hjelp av elektriske og magnetiske felt. Et elektrisk felt oppstår i nærvær av elektriske ladninger, og et magnetfelt oppstår når de beveger seg. Et elektrisk felt i endring genererer et vekslende magnetfelt - dette er kilden til det vekslende magnetiske feltet. Denne typen interaksjon er karakteristisk for elektrisk ladede partikler. Bæreren av elektromagnetisk interaksjon er et foton som ikke har noen ladning - et kvantum av det elektromagnetiske feltet. I prosessen med elektromagnetisk interaksjon kombineres elektroner og atomkjerner til atomer, og atomer til molekyler. I en viss forstand er denne interaksjonen grunnleggende i kjemi og biologi.

Vi mottar omtrent 90 % av informasjonen om verden rundt oss gjennom en elektromagnetisk bølge, siden ulike tilstander av materie, friksjon, elastisitet, etc. bestemmes av kreftene til intermolekylær interaksjon, som er av elektromagnetisk natur. Elektromagnetiske interaksjoner er beskrevet av lovene til Coulomb, Ampere og Maxwells elektromagnetiske teori.

Elektromagnetisk interaksjon er grunnlaget for å lage ulike elektriske apparater, radioer, fjernsyn, datamaskiner, etc. Den er omtrent tusen ganger svakere enn en sterk, men har mye lengre rekkevidde.

Uten elektromagnetiske interaksjoner ville det ikke være atomer, molekyler, makroobjekter, varme og lys.

3. Svak interaksjon kanskje mellom ulike partikler, bortsett fra fotonet, er det kortdistanse og manifesterer seg på avstander mindre enn størrelsen på atomkjernen 10 -15 - 10 -22 cm Svak interaksjon er svakere enn sterk interaksjon og prosesser med svak interaksjon fortsetter saktere enn ved sterk interaksjon. Ansvarlig for forfallet av ustabile partikler (for eksempel transformasjonen av et nøytron til et proton, elektron, antinøytrino). Det er på grunn av denne interaksjonen at de fleste partikler er ustabile. Bærere av svak interaksjon - vioner, partikler med en masse på 100 ganger mer masse protoner og nøytroner. På grunn av denne interaksjonen skinner solen (et proton blir til et nøytron, positron, nøytrino, den utsendte nøytrinoen har en enorm penetreringsevne).

Uten svake interaksjoner ville ikke kjernefysiske reaksjoner i solens og stjernenes dyp vært mulig, og nye stjerner ville ikke oppstå.

4. Gravitasjonsinteraksjon den svakeste, er ikke tatt med i teorien om elementærpartikler, siden ved karakteristiske avstander (10 -13 cm) er effektene små, og ved ultrasmå avstander (10 -33 cm) og ved ultrahøye energier, gravitasjon blir viktig og de uvanlige egenskapene til det fysiske vakuumet begynner å dukke opp.

Tyngdekraft (fra latin gravitas - "tyngdekraft") - den grunnleggende interaksjonen er langdistanse (dette betyr at uansett hvor massiv en kropp beveger seg, på ethvert punkt i rommet avhenger gravitasjonspotensialet bare av posisjonen til kroppen ved en gitt øyeblikk i tid) og alle materielle kropper er underlagt det. I utgangspunktet spiller tyngdekraften en avgjørende rolle på en kosmisk skala, Megaworld.

Innenfor rammen av klassisk mekanikk beskrives gravitasjonsinteraksjon loven om universell gravitasjon Newton, som sier at gravitasjonskraften mellom to materielle massepunkter m 1 og m 2 atskilt med avstand R, Det er

Hvor G- gravitasjonskonstant.

Uten gravitasjonsinteraksjoner var det ingen galakser, stjerner, planeter eller evolusjon av universet.

Tiden som transformasjonen av elementærpartikler skjer, avhenger av styrken til interaksjonen (med sterk interaksjon skjer kjernefysiske reaksjoner innen 10 -24 - 10 -23 s., med elektromagnetiske - endringer skjer innen 10 -19 - 10 -21 s. , med svak desintegrasjon innen 10 -10 s.).

Alle interaksjoner er nødvendige og tilstrekkelige for å bygge en kompleks og mangfoldig materiell verden, som man ifølge forskere kan få supermakt(på veldig høye temperaturer eller energier, alle fire interaksjonene er kombinert i en).

I hverdagen møter vi en rekke krefter som oppstår fra kollisjon av kropper, friksjon, eksplosjon, spenning av en tråd, kompresjon av en fjær, etc. Imidlertid er alle disse kreftene et resultat av den elektromagnetiske interaksjonen mellom atomer med hverandre. Teorien om elektromagnetisk interaksjon ble skapt av Maxwell i 1863.

En annen lenge kjent interaksjon er gravitasjonsinteraksjonen mellom kropper med masse. I 1915 opprettet Einstein generell teori relativitetsteori, som koblet gravitasjonsfeltet med krumningen av rom-tid.

På 1930-tallet Det ble oppdaget at atomkjernene består av nukleoner, og verken elektromagnetiske eller gravitasjonsinteraksjoner kan forklare hva som holder nukleonene i kjernen. Den sterke interaksjonen ble foreslått for å beskrive interaksjonen mellom nukleoner i en kjerne.

Da vi fortsatte å studere mikroverdenen, viste det seg at noen fenomener ikke beskrives av de tre typene interaksjon. Derfor ble den svake interaksjonen foreslått for å beskrive nedbrytningen av nøytronet og andre lignende prosesser.

I dag er alle krefter kjent i naturen et produkt av fire grunnleggende interaksjoner, som kan ordnes i synkende rekkefølge av intensitet i følgende rekkefølge:

• 1) sterk interaksjon;
• 2) elektromagnetisk interaksjon;
• 3) svak interaksjon;
• 4) gravitasjonsinteraksjon.

Fundamentale interaksjoner bæres av elementærpartikler - bærere av fundamentale interaksjoner. Disse partiklene kalles måle bosoner. Prosessen med grunnleggende interaksjoner mellom kropper kan representeres på følgende måte. Hver kropp avgir partikler - bærere av interaksjoner, som absorberes av en annen kropp. I dette tilfellet opplever kroppene gjensidig påvirkning.

Sterk interaksjon kan oppstå mellom protoner, nøytroner og andre hadroner (se nedenfor). Det er kort rekkevidde og er preget av en virkningsradius av krefter i størrelsesorden 10 15 m. Bæreren av sterk interaksjon mellom hadroner er peoner, og varigheten av interaksjonen er omtrent 10 23 s.

Elektromagnetisk interaksjon har fire størrelsesordener lavere intensitet sammenlignet med den sterke interaksjonen. Det oppstår mellom ladede partikler. Elektromagnetisk interaksjon er langtidsvirkende og er preget av en uendelig virkningsradius av krefter. Bæreren av elektromagnetisk interaksjon er fotoner, og varigheten av interaksjonen er omtrent 10–20 s.

Svak interaksjon har 20 størrelsesordener lavere intensitet sammenlignet med den sterke interaksjonen. Det kan forekomme mellom hadroner og leptoner (se nedenfor). Leptoner inkluderer spesielt elektronet og nøytrinoet. Et eksempel på svak interaksjon er nøytron-p-nedfallet diskutert ovenfor. Den svake vekselvirkningen er kortdistanse og er preget av en virkningsradius av krefter i størrelsesorden 10 18 m. Bæreren av den svake vekselvirkningen er vektor bosoner, og varigheten av interaksjonen er omtrent 10 10 s.

Gravitasjonsinteraksjon har 40 størrelsesordener lavere intensitet sammenlignet med den sterke interaksjonen. Det oppstår mellom alle partikler. Gravitasjonsinteraksjon er langtidsvirkende og er preget av en uendelig virkningsradius av krefter. Bæreren av gravitasjonsinteraksjon kan være gravitasjoner. Disse partiklene er ennå ikke funnet, noe som kan skyldes den lave intensiteten av gravitasjonsinteraksjon. Det er også knyttet til det faktum at på grunn av de små massene av elementære partikler, er denne interaksjonen i prosessene i kjernefysikk ubetydelig.

I 1967 foreslo A. Salam og S. Weinberg teori om elektrosvak interaksjon, som forente elektromagnetiske og svake interaksjoner. I 1973 ble teorien om sterk interaksjon laget kvantekromodynamikk. Alt dette gjorde det mulig å lage standard modell elementærpartikler, som beskriver elektromagnetiske, svake og sterke interaksjoner. Alle de tre typene interaksjon som vurderes her oppstår som en konsekvens av postulatet om at vår verden er symmetrisk med hensyn til tre typer måletransformasjoner.