Podstawowe interakcje i ich rodzaje. Interakcja

Interakcja w fizyce to wzajemne oddziaływanie ciał lub cząstek, prowadzące do zmiany ich ruchu.

Akcja blisko i dalekosiężna (lub akcja na odległość). W fizyce od dawna istnieją dwa punkty widzenia na temat interakcji ciał. Pierwsza z nich zakładała obecność jakiegoś czynnika (na przykład eteru), za pośrednictwem którego jedno ciało przekazuje swój wpływ drugiemu, a za pomocą prędkość końcowa. Jest to teoria działania krótkiego zasięgu. Drugie zakładało, że interakcja między ciałami odbywa się poprzez pustą przestrzeń, która nie bierze żadnego udziału w przekazywaniu interakcji, a transmisja następuje natychmiastowo. Jest to teoria działania dalekosiężnego. Wydawało się, że w końcu wygrała, gdy Newton odkrył to prawo uniwersalna grawitacja. Uważano na przykład, że ruch Ziemi powinien natychmiast doprowadzić do zmiany siły grawitacyjnej działającej na Księżyc. Oprócz samego Newtona koncepcję działania dalekiego zasięgu przyjęli później Coulomb i Ampere.

Po odkryciu i badaniu pola elektromagnetycznego (patrz Pole elektromagnetyczne) odrzucono teorię działania dalekiego zasięgu, ponieważ udowodniono, że oddziaływanie ciał naładowanych elektrycznie nie następuje natychmiast, ale ze skończoną prędkością ( jednakową prędkośćświatło: c = 3 108 m/s), a ruch jednego z ładunków powoduje zmianę sił działających na inne ładunki, nie natychmiast, ale po pewnym czasie. Powstał nowa teoria interakcja krótkiego zasięgu, którą następnie rozszerzono na wszystkie inne rodzaje interakcji. Zgodnie z teorią działania krótkiego zasięgu interakcja odbywa się poprzez odpowiednie pola otaczające ciała i stale rozmieszczone w przestrzeni (tj. Pole jest pośrednikiem, który przenosi działanie jednego ciała na drugie). Interakcja ładunki elektryczne- poprzez pole elektromagnetyczne, grawitacja uniwersalna - poprzez pole grawitacyjne.

Dziś fizyka zna cztery typy podstawowe interakcje występujące w przyrodzie (w kolejności rosnącego natężenia): grawitacyjne, słabe, elektromagnetyczne i silna interakcja.

Interakcje podstawowe to takie, których nie można zredukować do innych rodzajów interakcji.

Interakcja	Oddziałujące cząstki	"Względny Promień działania, m intensywność
Grawitacyjny
	Wszystko oprócz fotonu
Elektromagnetyczny	Naładowane cząstki

Podstawowe interakcje różnią się intensywnością i zasięgiem działania (patrz tabela 1.1). Promień działania to maksymalna odległość między cząstkami, powyżej której można pominąć ich oddziaływanie.

Ze względu na promień działania oddziaływania podstawowe dzielą się na dalekiego zasięgu (grawitacyjne i elektromagnetyczne) i krótkiego zasięgu (słabe i silne) (patrz tabela 1.1).

Oddziaływanie grawitacyjne jest uniwersalne: uczestniczą w nim wszystkie ciała w przyrodzie - od gwiazd, planet i galaktyk po mikrocząstki: atomy, elektrony, jądra. Jego zasięg działania jest nieskończony. Jednakże, jeśli chodzi o cząstki elementarne mikroświata, a dla otaczających nas obiektów w makroświecie mocy oddziaływanie grawitacyjne tak małe, że można je pominąć (patrz tabela 1.1). Staje się zauważalny wraz ze wzrostem masy oddziałujących ze sobą ciał i dlatego determinuje zachowanie ciała niebieskie oraz powstawanie i ewolucja gwiazd.

Słabe oddziaływanie jest nieodłączną cechą wszystkich cząstek elementarnych z wyjątkiem fotonu. Odpowiada za większość reakcje jądrowe rozpad i wiele przemian cząstek elementarnych.

Oddziaływanie elektromagnetyczne determinuje strukturę materii, łącząc elektrony i jądra w atomach i cząsteczkach, łącząc atomy i cząsteczki w różne substancje. Determinuje procesy chemiczne i biologiczne. Oddziaływanie elektromagnetyczne jest przyczyną takich zjawisk jak sprężystość, tarcie, lepkość, magnetyzm i stanowi o naturze odpowiednich sił. Nie ma to istotnego wpływu na ruch makroskopowych ciał elektrycznie obojętnych.

Silne oddziaływanie zachodzi pomiędzy hadronami, co utrzymuje nukleony w jądrze.

W 1967 roku Sheldon Glashow, Abdus Salam i Steven Weinberg stworzyli teorię łączącą elektromagnetyzm i słaba interakcja na pojedyncze oddziaływanie elektrosłabe o zasięgu 10~17 m, w obrębie którego zanika różnica pomiędzy oddziaływaniami słabymi i elektromagnetycznymi.

Obecnie wysunięto teorię wielkiego zjednoczenia, zgodnie z którą istnieją tylko dwa rodzaje oddziaływań: zunifikowane, które obejmuje oddziaływania silne, słabe i elektromagnetyczne oraz oddziaływanie grawitacyjne.

Zakłada się również, że wszystkie cztery interakcje są szczególnymi przypadkami przejawu pojedynczej interakcji.

W mechanice wzajemne działanie ciał charakteryzuje się siłą (patrz Siła). Więcej ogólna charakterystyka interakcja jest energia potencjalna(patrz Energia potencjalna).

Siły w mechanice dzielą się na grawitacyjne, sprężyste i tarcia. Jak wspomniano powyżej, o naturze sił mechanicznych decydują oddziaływania grawitacyjne i elektromagnetyczne. Tylko te oddziaływania można uznać za siły w sensie mechaniki Newtona. Oddziaływania silne (jądrowe) i słabe objawiają się na tak małych odległościach, że prawa mechaniki Newtona, a wraz z nimi koncepcja siła mechaniczna tracą sens. Dlatego też termin „siła” należy w tych przypadkach rozumieć jako „interakcję”.

1.1. Powaga.

1.2. Elektromagnetyzm.

1.3. Słaba interakcja.

1.4. Problem jedności fizyki.

2. Klasyfikacja cząstek elementarnych.

2.1. Charakterystyka cząstki elementarne.

2.2. leptony.

2.3. Hadrony.

2.4. Cząstki są nośnikami oddziaływań.

3. Teorie cząstek elementarnych.

3.1. Elektrodynamika kwantowa.

3.2. Teoria kwarków.

3.3. Teoria oddziaływań elektrosłabych.

3.4. Chromodynamika kwantowa.

3.5. W drodze do wielkiego zjednoczenia.

Bibliografia.

Wstęp.

W połowie i drugiej połowie XX wieku uzyskano naprawdę zdumiewające wyniki w tych gałęziach fizyki, które badają podstawową strukturę materii. Przede wszystkim przejawiło się to w odkryciu całego szeregu nowych cząstek subatomowych. Nazywa się je zwykle cząstkami elementarnymi, ale nie wszystkie z nich są naprawdę elementarne. Wiele z nich z kolei składa się z jeszcze większej liczby cząstek elementarnych. Świat cząstek subatomowych jest naprawdę różnorodny. Należą do nich protony i neutrony tworzące jądra atomowe, a także elektrony krążące wokół jąder. Ale są też cząstki, których praktycznie nigdy nie spotyka się w otaczającej nas materii. Ich czas życia jest niezwykle krótki, to najmniejsze ułamki sekundy. Po tym niezwykle krótkim czasie rozpadają się na zwykłe cząstki. Istnieje niesamowita liczba takich niestabilnych, krótkotrwałych cząstek: znanych jest już kilkaset z nich. W latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych fizycy byli całkowicie zaskoczeni liczbą, różnorodnością i dziwnością nowo odkrytych cząstek subatomowych. Wydawało się, że nie mają końca. Nie jest całkowicie jasne, dlaczego jest tak wiele cząstek. Czy te cząstki elementarne są chaotycznymi i przypadkowymi fragmentami materii? A może kryją w sobie klucz do zrozumienia budowy Wszechświata? Rozwój fizyki w kolejnych dziesięcioleciach pokazał, że nie ma wątpliwości co do istnienia takiej konstrukcji. Pod koniec XX wieku. fizyka zaczyna rozumieć znaczenie każdej z cząstek elementarnych. Świat cząstek subatomowych charakteryzuje się głębokim i racjonalnym porządkiem. Porządek ten opiera się na fundamencie interakcje fizyczne.

1. Podstawowe interakcje fizyczne.

W Twoim Życie codzienne człowiek staje w obliczu wielu sił działających na jego ciało. Oto siła wiatru lub nadchodzącego strumienia wody, ciśnienie powietrza, potężne uwolnienie wybuchowych chemikaliów, siła mięśni człowieka, ciężar ciężkich przedmiotów, ciśnienie kwantów światła, przyciąganie i odpychanie ładunków elektrycznych, fale sejsmiczne które czasami powodują katastrofalne zniszczenia, erupcje wulkanów, które doprowadziły do zagłady cywilizacji itp. Niektóre siły działają bezpośrednio w kontakcie z ciałem, inne, np. Grawitacja, działają na odległość, poprzez przestrzeń. Jednak, jak się okazało w wyniku rozwoju teoretycznych nauk przyrodniczych, pomimo tak dużej różnorodności, wszystkie siły działające w przyrodzie można sprowadzić do zaledwie czterech podstawowych oddziaływań. To właśnie te interakcje są ostatecznie odpowiedzialne za wszelkie zmiany w świecie, są źródłem wszelkich przemian ciał i procesów. Badanie właściwości oddziaływań podstawowych główne zadanie współczesna fizyka.

Powaga.

W historii fizyki grawitacja (grawitacja) stała się pierwszym z czterech podstawowych oddziaływań, które stały się przedmiotem badań naukowych. Po pojawieniu się w XVII w. Teoria grawitacji Newtona – prawo powszechnego ciążenia – po raz pierwszy zdołała uświadomić sobie prawdziwą rolę grawitacji jako siły natury. Grawitacja ma wiele cech, które odróżniają ją od innych podstawowych oddziaływań. Najbardziej zaskakującą cechą grawitacji jest jej niska intensywność. Wielkość oddziaływania grawitacyjnego między składnikami atomu wodoru wynosi 10n, gdzie n = - 3 · 9, w oparciu o siłę oddziaływania ładunków elektrycznych. (Gdyby wymiary atomu wodoru określała grawitacja, a nie interakcja między ładunkami elektrycznymi, wówczas najniższa (najbliższa jądra) orbita elektronu byłaby większa niż obserwowalna część Wszechświata!) ( Gdyby o wymiarach atomu wodoru decydowała grawitacja, a nie oddziaływanie ładunków elektrycznych, to najniższa (najbliższa jądra) orbita elektronowa miałaby większy rozmiar niż obserwowalna część Wszechświata!). Może wydawać się zaskakujące, że w ogóle odczuwamy grawitację, ponieważ jest ona tak słaba. Jak może stać się dominującą siłą we Wszechświecie? Chodzi o drugą niesamowitą cechę grawitacji – jej uniwersalność. Nic we Wszechświecie nie jest wolne od grawitacji. Każda cząstka doświadcza działania grawitacji i sama jest jej źródłem. Ponieważ każda cząsteczka materii wywiera przyciąganie grawitacyjne, grawitacja wzrasta w miarę tworzenia się większych skupisk materii. W życiu codziennym odczuwamy grawitację, ponieważ wszystkie atomy Ziemi współpracują, aby nas przyciągnąć. I chociaż efekt przyciągania grawitacyjnego jednego atomu jest znikomy, wynikająca z tego siła przyciągania wszystkich atomów może być znacząca. Grawitacja jest siłą natury o dużym zasięgu. Oznacza to, że chociaż intensywność oddziaływania grawitacyjnego maleje wraz z odległością, rozprzestrzenia się ono w przestrzeni i może oddziaływać na ciała bardzo odległe od źródła. W skali astronomicznej główną rolę odgrywają oddziaływania grawitacyjne. Dzięki działaniu dalekiego zasięgu grawitacja zapobiega rozpadowi Wszechświata: utrzymuje planety na orbitach, gwiazdy w galaktykach, galaktyki w gromadach, gromady w Metagalaktyce. Siła grawitacji działająca pomiędzy cząsteczkami jest zawsze siłą przyciągającą: ma tendencję do zbliżania cząstek do siebie. Nigdy wcześniej nie zaobserwowano odpychania grawitacyjnego (choć w tradycji mitologii quasi-naukowej istnieje cała dziedzina zwana lewitacją - poszukiwanie „faktów” antygrawitacji). Ponieważ energia zgromadzona w dowolnej cząstce jest zawsze dodatnia i nadaje jej dodatnią masę, cząstki pod wpływem grawitacji zawsze mają tendencję do zbliżania się. Czym jest grawitacja, pewne pole lub przejaw krzywizny czasoprzestrzeni - wciąż nie ma jasnej odpowiedzi na to pytanie. Jak już zauważyliśmy, istnieją różne opinie i koncepcje fizyków w tej kwestii.

Elektromagnetyzm.

Według rozmiaru siły elektryczne znacznie przewyższa grawitację. W przeciwieństwie do słabego oddziaływania grawitacyjnego, siły elektryczne działające pomiędzy ciałami o normalnej wielkości można łatwo zaobserwować. Elektromagnetyzm jest znany ludziom od niepamiętnych czasów (zorze, błyskawice itp.). Przez długi czas badano procesy elektryczne i magnetyczne niezależnie od siebie. Jak już wiemy, decydujący krok w poznaniu elektromagnetyzmu nastąpił w połowie XIX wieku. J.C. Maxwella, który połączył elektryczność i magnetyzm w jednolitą teorię elektromagnetyzmu – pierwszą zunifikowaną teorię pola. Istnienie elektronu zostało mocno ugruntowane w latach 90. ubiegłego wieku. Obecnie wiadomo, że ładunek elektryczny dowolnej cząstki materii jest zawsze wielokrotnością podstawowej jednostki ładunku - rodzaju „atomu” ładunku. Dlaczego tak się dzieje, to niezwykle interesujące pytanie. Jednak nie wszystkie cząstki materialne są nośnikami ładunku elektrycznego. Na przykład foton i neutrino są elektrycznie obojętne. Pod tym względem elektryczność różni się od grawitacji. Wszystkie cząstki materialne tworzą pole grawitacyjne, natomiast z pole elektromagnetyczne Związane są tylko naładowane cząstki. Podobnie jak ładunki elektryczne, tak jak bieguny magnetyczne odpychają się, a przeciwne przyciągają. Jednak w odróżnieniu od ładunków elektrycznych, bieguny magnetyczne nie występują pojedynczo, lecz jedynie parami – biegun północny i biegun południowy. Od czasów starożytnych znane były próby uzyskania przez podzielenie magnesu tylko jednego izolowanego bieguna magnetycznego - monopolu. Ale wszystkie zakończyły się porażką. Być może istnienie odizolowanego bieguny magnetyczne niemożliwe w naturze? Na to pytanie nie ma jeszcze jednoznacznej odpowiedzi. Niektóre koncepcje teoretyczne dopuszczają możliwość istnienia monopolu. Podobnie jak oddziaływania elektryczne i grawitacyjne, oddziaływanie biegunów magnetycznych podlega prawu odwrotnych kwadratów. W rezultacie siły elektryczne i magnetyczne mają charakter „dalekiego zasięgu”, a ich działanie jest odczuwalne w dużych odległościach od źródła. Zatem ziemskie pole magnetyczne rozciąga się daleko w przestrzeń kosmiczną. Potężne pole magnetyczne Słońca wypełnia cały Układ Słoneczny. Istnieją również galaktyczne pola magnetyczne. Oddziaływanie elektromagnetyczne determinuje strukturę atomów i odpowiada za zdecydowaną większość zjawisk fizycznych i fizycznych zjawiska chemiczne i procesy (z wyjątkiem jądrowych).

Słaba interakcja.

Fizyka powoli zmierza w kierunku ustalenia istnienia oddziaływania słabego. Oddziaływanie słabe jest odpowiedzialne za rozpad cząstek; dlatego też jej manifestacja została skonfrontowana z odkryciem radioaktywności i badaniem rozpadu beta. Rozpad beta stwierdzono w najwyższy stopień dziwna cecha. Badania doprowadziły do wniosku, że rozpad ten narusza jedno z podstawowych praw fizyki – prawo zachowania energii. Wydawało się, że w tym rozpadzie część energii gdzieś zniknęła. Aby „uratować” prawo zachowania energii, W. Pauli zasugerował, że wraz z elektronem podczas rozpadu beta emitowana jest kolejna cząstka. Jest neutralny i ma niezwykle wysoką zdolność penetracji, w wyniku czego nie można go było zaobserwować. E. Fermi nazwał niewidzialną cząstkę „neutrinem”. Ale przewidywanie i wykrywanie neutrin to dopiero początek problemu, jego sformułowanie. Trzeba było wyjaśnić naturę neutrin, ale pozostało tu wiele tajemnic. Faktem jest, że zarówno elektrony, jak i neutrina zostały wyemitowane przez niestabilne jądra. Jednak niezbicie udowodniono, że w jądrach nie ma takich cząstek. Jak powstały? Sugerowano, że elektrony i neutrina nie istnieją w jądrze w „gotowej formie”, ale powstają w jakiś sposób z energii radioaktywnego jądra. Dalsze badania wykazały, że neutrony zawarte w jądrze, pozostawione samym sobie, po kilku minutach rozpadają się na proton, elektron i neutrino, tj. zamiast jednej cząstki pojawiają się trzy nowe. Analiza doprowadziła do wniosku, że znane siły nie może spowodować takiego rozkładu. Najwyraźniej została wygenerowana przez jakąś inną, nieznaną siłę. Badania wykazały, że siła ta odpowiada jakiejś słabej interakcji. Jest znacznie słabszy od elektromagnetycznego, choć silniejszy od grawitacyjnego. Rozprzestrzenia się na bardzo małe odległości. Promień oddziaływania słabego jest bardzo mały. Oddziaływanie słabe zatrzymuje się w odległości większej niż 10 n cm (gdzie n = - 1 · 6) od źródła i dlatego nie może oddziaływać na obiekty makroskopowe, ale ogranicza się do pojedynczych cząstek subatomowych. Następnie okazało się, że większość niestabilnych cząstek elementarnych uczestniczy w oddziaływaniach słabych. Teorię oddziaływania słabego stworzyli pod koniec lat 60. XX wieku S. Weinberg i A. Salam. Od czasu teorii pola elektromagnetycznego Maxwella stworzenie tej teorii było największym krokiem w kierunku jedności fizyki. 10.

Silna interakcja.

Ostatnim z szeregu oddziaływań fundamentalnych jest oddziaływanie silne, będące źródłem ogromnej energii. Bardzo typowy przykład Energia uwolniona w wyniku silnego oddziaływania to nasze Słońce. W głębi Słońca i gwiazd, począwszy od pewnego czasu, w sposób ciągły zachodzą reakcje termojądrowe spowodowane silnym oddziaływaniem. Ale człowiek nauczył się także uwalniać oddziaływania silne: stworzono bombę wodorową, opracowano i udoskonalono technologie kontrolowanych reakcji termojądrowych. Fizyka wpadła na pomysł istnienia silnej interakcji podczas badania struktury jądro atomowe. Pewna siła musi utrzymać protony w jądrze, zapobiegając ich rozproszeniu pod wpływem odpychania elektrostatycznego. Grawitacja jest na to za słaba; Oczywiście potrzebne jest jakieś nowe oddziaływanie, w dodatku silniejsze niż elektromagnetyczne. Później odkryto. Okazało się, że chociaż oddziaływanie silne znacznie przewyższa swoją wielkością wszystkie inne oddziaływania podstawowe, to nie jest ono odczuwalne poza jądrem. Promień działania nowa siła okazał się bardzo mały. Oddziaływanie silne gwałtownie maleje w odległości od protonu lub neutronu większej niż około 10 n cm (gdzie n = - 13). Ponadto okazało się, że nie wszystkie cząstki ulegają silnym oddziaływaniom. Doświadczają go protony i neutrony, ale elektrony, neutrina i fotony nie podlegają temu. W oddziaływaniach silnych uczestniczą tylko cięższe cząstki. Teoretyczne wyjaśnienie natury silnego oddziaływania było trudne do opracowania. Przełom nastąpił na początku lat 60., kiedy zaproponowano model kwarkowy. W tej teorii neutrony i protony są uważane nie za cząstki elementarne, ale jako układy złożone zbudowane z kwarków. Zatem w podstawowych oddziaływaniach fizycznych wyraźnie widać różnicę pomiędzy siłami dalekiego i krótkiego zasięgu. Z jednej strony mamy do czynienia z oddziaływaniami o nieograniczonym zasięgu (grawitacja, elektromagnetyzm), z drugiej zaś oddziaływaniami o krótkim zasięgu (silnym i słabym). Świat elementów fizycznych jako całość rozwija się w jedności tych dwóch biegunów i jest ucieleśnieniem jedności niezwykle małego i niezwykle dużego - działania krótkiego zasięgu w mikroświecie i działania dalekiego zasięgu w całym Wszechświecie.

Problem jedności fizyki.

Wiedza jest uogólnieniem rzeczywistości, dlatego celem nauki jest poszukiwanie jedności w przyrodzie, łączenie odmiennych fragmentów wiedzy w jeden obraz. W celu utworzenia ujednolicony system, trzeba otworzyć łącze łączące pomiędzy różnymi gałęziami wiedzy istnieje pewna fundamentalna zależność. Poszukiwanie takich powiązań i relacji jest jednym z głównych zadań badań naukowych. Ilekroć możliwe jest nawiązanie takich nowych powiązań, zrozumienie otaczającego świata znacznie się pogłębia, powstają nowe sposoby poznawania, które wskazują drogę do nieznanych wcześniej zjawisk. Tworzenie głębokich powiązań pomiędzy różnymi obszarami przyrody jest zarówno syntezą wiedzy, jak i metodą ukierunkowującą badania naukowe na nowe, nieprzejezdne drogi. Odkrycie przez Newtona związku pomiędzy przyciąganiem ciał w warunkach ziemskich a ruchem planet oznaczało narodziny Mechanika klasyczna, na bazie którego budowana jest baza technologiczna współczesnej cywilizacji. Nawiązanie połączenia właściwości termodynamiczne gazu z chaotycznym ruchem cząsteczek, stawiają atomowo-molekularną teorię materii na solidnych podstawach. W połowie ubiegłego wieku Maxwell stworzył ujednoliconą teorię elektromagnetyczną, która obejmowała zarówno zjawiska elektryczne, jak i magnetyczne. Następnie, w latach dwudziestych naszego wieku, Einstein podejmował próby łączenia ujednolicona teoria elektromagnetyzm i grawitacja. Ale już w połowie XX w. Sytuacja w fizyce zmieniła się radykalnie: odkryto dwa nowe, fundamentalne oddziaływania – silne i słabe, tj. podczas tworzenia ujednolicona fizyka nie musimy już liczyć się z dwoma, ale z czterema podstawowymi interakcjami. To nieco ostudziło zapał tych, którzy na to liczyli szybka decyzja ten problem. Ale sam pomysł nie był poważnie kwestionowany, a entuzjazm dla idei pojedynczego opisu nie minął. Istnieje pogląd, że wszystkie cztery (lub co najmniej trzy) oddziaływania reprezentują zjawiska o tej samej naturze i należy znaleźć ich jednolity opis teoretyczny. Perspektywa stworzenia jednolitej teorii świata elementów fizycznych, opartej na jednej fundamentalnej interakcji, pozostaje bardzo atrakcyjna. To główne marzenie fizyków XX wieku. Ale przez długi czas był to tylko sen, i to bardzo niejasny. Jednak w drugiej połowie XX w. istniały przesłanki do realizacji tego marzenia i pewność, że nie jest to bynajmniej kwestia odległej przyszłości. Wygląda na to, że już niedługo może to stać się rzeczywistością. Decydujący krok w stronę jednolitej teorii nastąpił w latach 60. i 70. XX wieku. wraz z powstaniem najpierw teorii kwarków, a następnie teorii oddziaływań elektrosłabych. Istnieją podstawy, by sądzić, że stoimy u progu potężniejszego i głębszego zjednoczenia niż kiedykolwiek wcześniej. Wśród fizyków rośnie przekonanie, że zaczynają wyłaniać się zarysy jednolitej teorii wszystkich podstawowych interakcji – Wielkiego Zjednoczenia.

2 . Klasyfikacja cząstek elementarnych.

Człowiek od dawna dąży do poznania i zrozumienia otaczającego go świata fizycznego. Okazuje się, że całą nieskończoną różnorodność procesów fizycznych zachodzących w naszym świecie można wytłumaczyć istnieniem w przyrodzie bardzo małej liczby podstawowych interakcji. Ich wzajemne oddziaływanie wyjaśnia uporządkowany układ ciał niebieskich we Wszechświecie. Są to „elementy”, które poruszają ciała niebieskie, wytwarzają światło i umożliwiają życie (patrz. Aplikacja ).
Zatem wszystkie procesy i zjawiska w przyrodzie, czy to spadanie jabłka, eksplozja supernowej, skok pingwina, czy radioaktywny rozpad substancji, zachodzą w wyniku tych interakcji.
Struktura substancji tych ciał jest stabilna dzięki wiązaniom pomiędzy cząsteczkami wchodzącymi w ich skład.

1. RODZAJE INTERAKCJI

Pomimo tego, że materia zawiera dużą liczbę cząstek elementarnych, istnieją między nimi tylko cztery rodzaje fundamentalnych oddziaływań: grawitacyjne, słabe, elektromagnetyczne i silne.
Najbardziej wszechstronny jest grawitacyjny interakcja . Podlegają temu wszystkie interakcje materialne, bez wyjątku - zarówno mikrocząstki, jak i makrociała. Oznacza to, że uczestniczą w nim wszystkie cząstki elementarne. Przejawia się w postaci uniwersalnej grawitacji. Powaga (od łac. Gravitas – ciężkość) kontroluje najbardziej procesy globalne we Wszechświecie, w szczególności zapewnia strukturę i stabilność naszego Układ Słoneczny. Według współczesnych koncepcji każde z oddziaływań powstaje w wyniku wymiany cząstek zwanych nośnikami tego oddziaływania. Oddziaływanie grawitacyjne odbywa się poprzez wymianę grawitony .
, podobnie jak grawitacja, ma charakter dalekiego zasięgu: odpowiednie siły mogą objawiać się na bardzo znacznych odległościach. Oddziaływanie elektromagnetyczne opisują ładunki jednego typu (elektryczne), ale ładunki te mogą już mieć dwa znaki - dodatni i ujemny. W przeciwieństwie do grawitacji, siły elektromagnetyczne mogą być zarówno siłami przyciągającymi, jak i odpychającymi. Fizyczne i Właściwości chemiczne różnych substancji, materiałów i samej żywej tkanki są determinowane przez tę interakcję. Zasila również wszelki sprzęt elektryczny i elektroniczny, tj. łączy ze sobą tylko naładowane cząstki. Teoria oddziaływanie elektromagnetyczne w makrokosmosie nazywa się to elektrodynamiką klasyczną.
Słaba interakcja mniej znany na zewnątrz wąskie koło fizyków i astronomów, ale to w żaden sposób nie umniejsza jego znaczenia. Dość powiedzieć, że gdyby go nie było, Słońce i inne gwiazdy zgasłyby, gdyż w reakcjach zapewniających ich świecenie bardzo ważną rolę odgrywa oddziaływanie słabe. ważna rola. Oddziaływanie słabe ma charakter krótkiego zasięgu: jego promień jest około 1000 razy mniejszy niż promień sił jądrowych.
Silna interakcja – najpotężniejszy ze wszystkich pozostałych. Definiuje połączenia tylko pomiędzy hadronami. Przejawem tego typu oddziaływań są siły jądrowe działające pomiędzy nukleonami w jądrze atomowym. Jest około 100 razy silniejsza niż energia elektromagnetyczna. W odróżnieniu od tego ostatniego (i grawitacyjnego) jest to po pierwsze krótki zasięg, w odległości większej niż 10–15 m (rzędu wielkości jądra), odpowiednie siły między protonami i neutronami, gwałtownie malejące, ustają aby je ze sobą związać. Po drugie, można go zadowalająco opisać jedynie za pomocą trzech ładunków (kolorów) tworzących złożone kombinacje.
Tabela 1 przedstawia w przybliżeniu najważniejsze cząstki elementarne należące do głównych grup (hadrony, leptony, nośniki oddziaływań).

Tabela 1

Udział podstawowych cząstek elementarnych w oddziaływaniach

Najważniejszą cechą interakcji fundamentalnej jest jej zasięg działania. Promień działania to maksymalna odległość między cząstkami, powyżej której można pominąć ich oddziaływanie (Tabela 2). Przy małym promieniu interakcja nazywana jest interakcją krótko działające , z dużym – daleki zasięg .

Tabela 2

Główne cechy oddziaływań podstawowych

Oddziaływania silne i słabe mają charakter krótkotrwały . Ich intensywność szybko maleje wraz ze wzrostem odległości między cząstkami. Takie interakcje zachodzą na niewielką odległość, niedostępną dla zmysłów. Z tego powodu interakcje te odkryto później niż inne (dopiero w XX wieku) za pomocą kompleksu obiekty eksperymentalne. Oddziaływania elektromagnetyczne i grawitacyjne mają charakter dalekiego zasięgu . Takie interakcje maleją powoli wraz ze wzrostem odległości między cząstkami i nie mają skończonego zakresu działania.

2. INTERAKCJA JAKO POŁĄCZENIE STRUKTURA MATERII

W jądrze atomowym określa się wiązanie między protonami i neutronami silna interakcja . Zapewnia wyjątkową wytrzymałość rdzenia, która leży u podstaw stabilności substancji w warunkach lądowych.

Słaba interakcja milion razy mniej intensywny niż silny. Działa pomiędzy większością cząstek elementarnych znajdujących się w odległości mniejszej niż 10–17 m od siebie. Słabe oddziaływanie warunkuje rozpad radioaktywny uranu i reakcje syntezy termojądrowej w Słońcu. Jak wiadomo, to promieniowanie Słońca jest głównym źródłem życia na Ziemi.

Oddziaływanie elektromagnetyczne , będąc dalekim zasięgiem, określa strukturę materii poza zasięgiem oddziaływania silnego. Siła elektromagnetyczna wiąże elektrony i jądra w atomach i cząsteczkach. Łączy atomy i cząsteczki w różne substancje oraz określa procesy chemiczne i biologiczne. Oddziaływanie to charakteryzuje się siłami sprężystości, tarcia, lepkości i siłami magnetycznymi. W szczególności odpychanie elektromagnetyczne cząsteczek znajdujących się na krótkich dystansach powoduje powstanie siły reakcji podłoża, w wyniku której np. nie spadniemy przez podłogę. Oddziaływanie elektromagnetyczne nie ma istotnego wpływu na wzajemny ruch ciał makroskopowych duża masa, ponieważ każde ciało jest elektrycznie obojętne, tj. zawiera około ten sam numerładunki dodatnie i ujemne.

Oddziaływanie grawitacyjne wprost proporcjonalna do masy oddziałujących ze sobą ciał. Ze względu na małą masę cząstek elementarnych oddziaływanie grawitacyjne między cząstkami jest niewielkie w porównaniu z innymi rodzajami interakcji, dlatego w procesach mikroświata to oddziaływanie jest nieistotne. Wraz ze wzrostem masy oddziałujących ciał (tj. wzrostem liczby zawartych w nich cząstek) oddziaływanie grawitacyjne między ciałami wzrasta wprost proporcjonalnie do ich masy. Pod tym względem w makrokosmosie, rozważając ruch planet, gwiazd, galaktyk, a także ruch małych ciał makroskopowych w ich polach, decydujące znaczenie ma oddziaływanie grawitacyjne. Utrzymuje atmosferę, morza i wszystko, co żyje i nieożywione na Ziemi, Ziemię krążącą po orbicie wokół Słońca, Słońce w Galaktyce. Oddziaływanie grawitacyjne odgrywa główną rolę w powstawaniu i ewolucji gwiazd. Podstawowe oddziaływania cząstek elementarnych przedstawiono za pomocą specjalnych diagramów, na których cząstka rzeczywista odpowiada linii prostej, a jej oddziaływanie z inną cząstką przedstawiono linią przerywaną lub krzywą (rys. 1).

Schematy oddziaływań cząstek elementarnych

Współczesne koncepcje fizyczne podstawowych interakcji są stale udoskonalane. W 1967 r Sheldona Glashawa, Abdusa Salama I Stevena Weinberga stworzył teorię, według której oddziaływania elektromagnetyczne i słabe są przejawem pojedynczego oddziaływania elektrosłabego. Jeśli odległość od cząstki elementarnej jest mniejsza niż promień działania słabe siły(10–17 m), wówczas zanika różnica między oddziaływaniami elektromagnetycznymi i słabymi. W ten sposób liczba podstawowych interakcji została zmniejszona do trzech.

Teoria „Wielkiego Zjednoczenia”.
Niektórzy fizycy, w szczególności G. Georgi i S. Glashow, sugerowali, że podczas przejścia na wyższe energie powinno nastąpić kolejne połączenie - unifikacja oddziaływania elektrosłabego z silnym. Odpowiednie schematy teoretyczne nazywane są teorią „Wielkiego Zjednoczenia”. I ta teoria jest obecnie testowana eksperymentalnie. Zgodnie z tą teorią, która łączy oddziaływania silne, słabe i elektromagnetyczne, istnieją tylko dwa rodzaje oddziaływań: zunifikowane i grawitacyjne. Możliwe jest, że wszystkie cztery interakcje są jedynie częściowymi przejawami pojedynczej interakcji. Przesłanki takich założeń rozważamy przy omawianiu teorii powstania Wszechświata (teorii Wielkiego Wybuchu). Teoria” Wielki Wybuch” wyjaśnia, jak połączenie materii i energii dało początek gwiazdom i galaktykom.

Podstawowe interakcje

W przyrodzie istnieje ogromna różnorodność naturalnych systemów i struktur, których cechy i rozwój tłumaczy się interakcją obiektów materialnych, to znaczy wzajemnym działaniem na siebie. Dokładnie interakcja jest główną przyczyną ruchu materii i jest charakterystyczna dla wszystkich obiektów materialnych, niezależnie od ich pochodzenia i ich systemowej organizacji. Interakcja jest uniwersalna, podobnie jak ruch. Oddziałujące ze sobą obiekty wymieniają energię i pęd (to są główne cechy ich ruchu). W fizyka klasyczna o interakcji decyduje siła, z jaką jeden obiekt materialny oddziałuje na drugi. Przez długi czas był to paradygmat koncepcja działania dalekiego zasięgu - interakcja obiektów materialnych znajdujących się w dużej odległości od siebie i natychmiast przenoszona przez pustą przestrzeń. Obecnie potwierdzono eksperymentalnie inny - koncepcja interakcji krótkiego zasięgu - interakcja przekazywana jest za pomocą pól fizycznych o skończonej prędkości nieprzekraczającej prędkości światła w próżni. Pole fizyczne – specjalny rodzaj materia zapewniająca wzajemne oddziaływanie obiektów materialnych i ich układów (pola: elektromagnetyczne, grawitacyjne, pole sił jądrowych - słabe i silne). Źródłem pola fizycznego są cząstki elementarne (cząstki naładowane elektromagnetycznie), w teoria kwantowa oddziaływanie jest spowodowane wymianą kwantów pola pomiędzy cząstkami.

W przyrodzie zachodzą cztery podstawowe oddziaływania: silne, elektromagnetyczne, słabe i grawitacyjne, które determinują strukturę otaczającego świata.

Silna interakcja(interakcja nuklearna) – wzajemne przyciąganie składniki jądra atomowe (protony i neutrony) i działa w odległości rzędu 10 -1 3 cm, przenoszone przez gluony. Z punktu widzenia oddziaływania elektromagnetycznego proton i neutron - różne cząstki, ponieważ proton jest naładowany elektrycznie, ale neutron nie. Ale z punktu widzenia silnego oddziaływania cząstki te są nie do odróżnienia, ponieważ w stanie stabilnym neutron jest cząstką niestabilną i rozpada się na proton, elektron i neutrino, ale w jądrze staje się podobny pod względem właściwości do protonu, dlatego też termin „nukleon” (od łac. jądro- jądro)” i proton z neutronem zaczęto uważać za dwa różne stany nukleonu. Im silniejsze oddziaływanie nukleonów w jądrze, tym stabilniejsze jądro, tym większa specyficzna energia wiązania.

W stabilnej substancji oddziaływanie między protonami i neutronami w niezbyt wysokich temperaturach wzrasta, ale jeśli dojdzie do zderzenia jąder lub ich części (nukleonów o wysokiej energii), wówczas zachodzą reakcje jądrowe, którym towarzyszy uwolnienie ogromnej energii.

W pewnych warunkach oddziaływanie silne bardzo mocno wiąże cząstki w jądrach atomowych - systemy materialne o dużej energii wiązania. Z tego powodu jądra atomów są bardzo stabilne i trudne do zniszczenia.

Bez silnych oddziaływań nie istniałyby jądra atomowe, a gwiazdy i Słońce nie byłyby w stanie wytwarzać ciepła i światła za pomocą energii jądrowej.

Oddziaływanie elektromagnetyczne przesyłane za pomocą pól elektrycznych i magnetycznych. Pole elektryczne powstaje w obecności ładunków elektrycznych, a pole magnetyczne powstaje, gdy się one poruszają. Zmieniające się pole elektryczne generuje zmienne pole magnetyczne - jest to źródło zmiennego pola magnetycznego. Ten typ interakcji jest charakterystyczny dla cząstek naładowanych elektrycznie. Nośnikiem oddziaływania elektromagnetycznego jest foton nie posiadający ładunku – kwant pola elektromagnetycznego. W procesie oddziaływania elektromagnetycznego elektrony i jądra atomowe łączą się w atomy, a atomy w cząsteczki. W pewnym sensie ta interakcja ma fundamentalne znaczenie w chemii i biologii.

Około 90% informacji o otaczającym nas świecie otrzymujemy za pośrednictwem fali elektromagnetycznej, gdyż różne stany materii, tarcie, sprężystość itp. są zdeterminowane siłami oddziaływań międzycząsteczkowych, które mają charakter elektromagnetyczny. Oddziaływania elektromagnetyczne opisują prawa Coulomba, Ampera i teorii elektromagnetycznej Maxwella.

Oddziaływanie elektromagnetyczne jest podstawą do tworzenia różnych urządzeń elektrycznych, odbiorników radiowych, telewizorów, komputerów itp. Jest około tysiąc razy słabszy od mocnego, ale ma znacznie większy zasięg.

Bez oddziaływań elektromagnetycznych nie byłoby atomów, cząsteczek, makroobiektów, ciepła i światła.

3. Słaba interakcja być może między różnymi cząstkami, z wyjątkiem fotonu, ma ono charakter krótkiego zasięgu i objawia się w odległościach mniejszych niż wielkość jądra atomowego 10 -15 - 10 -22 cm Oddziaływanie słabe jest słabsze od oddziaływania silnego i zachodzą procesy ze słabym oddziaływaniem wolniej niż przy silnym oddziaływaniu. Odpowiada za rozpad cząstek niestabilnych (na przykład przemianę neutronu w proton, elektron, antyneutrino). To z powodu tej interakcji większość cząstek jest niestabilna. Nośniki oddziaływań słabych - wiony, cząstki o masie 100 razy większej więcej masy protony i neutrony. Dzięki tej interakcji Słońce świeci (proton zamienia się w neutron, pozyton, neutrino, emitowane neutrino ma ogromną zdolność penetracji).

Bez słabych oddziaływań reakcje jądrowe w głębi Słońca i gwiazd nie byłyby możliwe i nie powstałyby nowe gwiazdy.

4. Oddziaływanie grawitacyjne najsłabszy, nie jest brany pod uwagę w teorii cząstek elementarnych, ponieważ w charakterystycznych odległościach (10–13 cm) efekty są małe, a w bardzo małych odległościach (10–33 cm) i przy ultrawysokich energiach grawitacja staje się ważne i zaczynają pojawiać się niezwykłe właściwości próżni fizycznej.

Grawitacja (od łacińskiego gravitas - „grawitacja”) - podstawowe oddziaływanie ma charakter dalekiego zasięgu (oznacza to, że niezależnie od tego, jak masywne jest ciało, w dowolnym punkcie przestrzeni potencjał grawitacyjny zależy tylko od położenia ciała w danym moment w czasie) i podlegają mu wszystkie ciała materialne. Zasadniczo grawitacja odgrywa decydującą rolę w skali kosmicznej, Megaświecie.

W ramach mechaniki klasycznej opisano oddziaływanie grawitacyjne prawo powszechnego ciążenia Newtona, który stwierdza, że siła przyciągania grawitacyjnego pomiędzy dwoma materialnymi punktami mas M 1 i M 2 oddzielone odległością R, Jest

Gdzie G- stała grawitacyjna.

Bez oddziaływań grawitacyjnych nie byłoby galaktyk, gwiazd, planet ani ewolucji Wszechświata.

Czas, w którym następuje przemiana cząstek elementarnych, zależy od siły oddziaływania (przy oddziaływaniu silnym reakcje jądrowe zachodzą w ciągu 10 -24 - 10 -23 s., przy oddziaływaniu elektromagnetycznym - zmiany zachodzą w ciągu 10 -19 - 10 -21 s. , przy słabym rozpadzie w ciągu 10 -10 s.).

Wszelkie interakcje są konieczne i wystarczające do zbudowania złożonego i różnorodnego świata materialnego, z którego, zdaniem naukowców, można uzyskać supermoc(w bardzo wysokie temperatury lub energie, wszystkie cztery interakcje są połączone jeden).

W życiu codziennym spotykamy się z różnymi siłami powstającymi w wyniku zderzenia ciał, tarcia, eksplozji, naprężenia nici, ściskania sprężyny itp. Jednak wszystkie te siły są wynikiem elektromagnetycznego oddziaływania atomów między sobą. Teorię oddziaływania elektromagnetycznego stworzył Maxwell w 1863 roku.

Inną od dawna znaną interakcją jest oddziaływanie grawitacyjne pomiędzy ciałami z masą. W 1915 roku Einstein stworzył ogólna teoria względności, która powiązała pole grawitacyjne z krzywizną czasoprzestrzeni.

W latach 30. XX wieku Odkryto, że jądra atomów składają się z nukleonów i ani oddziaływania elektromagnetyczne, ani grawitacyjne nie są w stanie wyjaśnić, co utrzymuje nukleony w jądrze. Do opisu oddziaływania nukleonów w jądrze zaproponowano oddziaływanie silne.

Kontynuując badania mikroświata, okazało się, że niektórych zjawisk nie da się opisać trzema typami interakcji. Dlatego do opisu rozpadu neutronu i innych podobnych procesów zaproponowano oddziaływanie słabe.

Dzisiaj wszystkie siły znane w przyrodzie są iloczynem czterech podstawowe interakcje, które można uporządkować w kolejności malejącej intensywności w następującej kolejności:

1) silna interakcja;
2) oddziaływanie elektromagnetyczne;
3) słaba interakcja;
4) oddziaływanie grawitacyjne.

Oddziaływania podstawowe przenoszone są przez cząstki elementarne – nośniki oddziaływań fundamentalnych. Cząstki te nazywane są bozony cechowania. Można przedstawić proces podstawowych oddziaływań ciał w następujący sposób. Każde ciało emituje cząstki - nośniki oddziaływań, które są pochłaniane przez inne ciało. W tym przypadku ciała doświadczają wzajemnego oddziaływania.

Silna interakcja może zachodzić pomiędzy protonami, neutronami i innymi hadronami (patrz poniżej). Ma krótki zasięg i charakteryzuje się promieniem działania sił rzędu 10–15 m. Nośnikiem silnego oddziaływania pomiędzy hadronami jest piwonie, a czas trwania interakcji wynosi około 10 23 s.

Oddziaływanie elektromagnetyczne ma o cztery rzędy wielkości niższą intensywność w porównaniu z oddziaływaniem silnym. Zachodzi pomiędzy naładowanymi cząstkami. Oddziaływanie elektromagnetyczne jest długo działające i charakteryzuje się nieskończonym promieniem działania sił. Nośnikiem oddziaływania elektromagnetycznego jest fotony, a czas trwania interakcji wynosi około 10–20 s.

Słaba interakcja ma o 20 rzędów wielkości mniejszą intensywność w porównaniu do oddziaływania silnego. Może zachodzić pomiędzy hadronami i leptonami (patrz poniżej). Do leptonów zalicza się w szczególności elektron i neutrino. Przykładem słabego oddziaływania jest omówiony powyżej rozpad p neutronów. Oddziaływanie słabe ma charakter krótkotrwały i charakteryzuje się promieniem działania sił rzędu 10–18 m. Nośnikiem oddziaływania słabego jest bozony wektorowe, a czas trwania interakcji wynosi około 10 10 s.

Oddziaływanie grawitacyjne ma o 40 rzędów wielkości niższą intensywność w porównaniu do oddziaływania silnego. Zachodzi pomiędzy wszystkimi cząsteczkami. Oddziaływanie grawitacyjne jest długo działające i charakteryzuje się nieskończonym promieniem działania sił. Nośnikiem oddziaływania grawitacyjnego może być grawitony. Cząstek tych nie odnaleziono dotychczas, co może wynikać z małej intensywności oddziaływań grawitacyjnych. Wiąże się to również z faktem, że ze względu na małe masy cząstek elementarnych oddziaływanie to w procesach fizyki jądrowej jest znikome.

W 1967 r. oświadczyli się A. Salam i S. Weinberg teoria oddziaływań elektrosłabych, który łączył oddziaływania elektromagnetyczne i słabe. W 1973 roku powstała teoria silnego oddziaływania chromodynamika kwantowa. Wszystko to umożliwiło tworzenie standardowy model cząstki elementarne, opisujące oddziaływania elektromagnetyczne, słabe i silne. Wszystkie trzy rozpatrywane tu typy interakcji wynikają z postulatu, że nasz świat jest symetryczny ze względu na trzy rodzaje transformacji cechowania.