Взаємодія у фізиці - це вплив тіл або частинок один на одного, що призводить до зміни їхнього руху.
Близькодія та далекодія (або дія на відстані). Про те, як здійснюється взаємодія тіл, у фізиці давно існували дві точки зору. Перша з них передбачала наявність деякого агента (наприклад, ефіру), через який одне тіло передає свій вплив на інше, причому з кінцевою швидкістю. Це теорія близькодії. Друга передбачала, що взаємодія між тілами здійснюється через порожній простір, який не бере участі в передачі взаємодії, причому передача відбувається миттєво. Це теорія далекодії. Вона, начебто, остаточно перемогла після відкриття Ньютоном закону всесвітнього тяжіння. Так, наприклад, вважалося, що переміщення Землі має одразу ж призводити до зміни сили тяжіння, що діє на Місяць. Крім самого Ньютона, пізніше концепції дальнодії дотримувалися Кулон та Ампер.
Після відкриття та дослідження електромагнітного поля (див. Електромагнітне поле) теорія далекодії була відкинута, оскільки було доведено, що взаємодія електрично заряджених тіл здійснюється не миттєво, а з кінцевою швидкістю ( рівної швидкостісвітла: с = 3 108 м/с) і переміщення одного із зарядів призводить до зміни сил, що діють на інші заряди, не миттєво, а згодом. Виникла нова теоріяблизькості, яка була потім поширена і на всі інші види взаємодій. Відповідно до теорії близькодії взаємодія здійснюється за допомогою відповідних полів, що оточують тіла і безперервно розподілених у просторі (тобто поле є тим посередником, який передає дію одного тіла на інше). Взаємодія електричних зарядів- за допомогою електромагнітного поля, всесвітнє тяжіння – за допомогою гравітаційного поля.
На сьогоднішній день фізиці відомі чотири типи фундаментальних взаємодій, що існують у природі (у порядку зростання інтенсивності): гравітаційне, слабке, електромагнітне та сильна взаємодія.
Фундаментальними називаються взаємодії, які не можна звести до інших типів взаємодій.
|
||||||||||||||||||||
Фундаментальні взаємодії відрізняються інтенсивністю та радіусом дії (див. табл. 1.1). Під радіусом дії розуміють максимальну відстань між частинками, за межами якої їх взаємодією можна знехтувати.
За радіусом дії фундаментальні взаємодії діляться надальнодіючі (гравітаційне та електромагнітне) і короткодіючі (слабке і сильне) (див. табл. 1.1).
Гравітаційна взаємодія універсальна: у ньому беруть участь усі тіла у природі - від зірок, планет і галактик до мікрочастинок: атомів, електронів, ядер. Його радіус дії дорівнює нескінченності. Однак як для елементарних частинокмікросвіту, так і для навколишніх предметів макросвіту сили гравітаційної взаємодіїнастільки малі, що їх можна знехтувати (див. табл. 1.1). Воно стає помітним зі збільшенням маси тіл, що взаємодіють, і тому визначальним у поведінці небесних тілта освіті та еволюції зірок.
Слабка взаємодія притаманна всім елементарним частинкам, крім фотона. Воно відповідає за більшість ядерних реакційрозпаду та багато перетворення елементарних частинок.
Електромагнітна взаємодія визначає структуру речовини, пов'язуючи електрони та ядра в атомах і молекулах, поєднуючи атоми та молекули в різні речовини. Воно визначає хімічні та біологічні процеси. Електромагнітна взаємодія є причиною таких явищ, як еластичність, тертя, в'язкість, магнетизм і становить природу відповідних сил. На рух макроскопічних електронейтральних тіл воно суттєвого впливу не має.
Сильна взаємодія здійснюється між адронами, саме вона утримує нуклони у ядрі.
У 1967 р. Шелдон Глешоу, Абдус Салам і Стівен Вайнберг створили теорію, що об'єднує електромагнітне та слабка взаємодіяв єдину електрослабку взаємодію з радіусом дії 10-17 м, в межах якої зникає різниця між слабкою та електромагнітною взаємодіями.
В даний час висунута теорія великого об'єднання, згідно з якою існують лише два типи взаємодій: об'єднане, куди входять сильна, слабка та електромагнітна взаємодія, і гравітаційна взаємодія.
Є також припущення, що всі чотири взаємодії є окремими випадками прояву єдиної взаємодії.
У механіці взаємне дію тіл друг на друга характеризується силою (див. сила). Більше загальною характеристикоювзаємодії є потенціальна енергія(Див. Потенційна енергія).
Сили в механіці діляться на гравітаційні, пружності та тертя. Як згадувалося вище, природа механічних сил зумовлена гравітаційним і електромагнітним взаємодіями. Тільки ці взаємодії можна як сили у сенсі механіки Ньютона. Сильні (ядерні) та слабкі взаємодії виявляються на таких малих відстанях, за яких закони механіки Ньютона, а разом з ними і поняття механічної силивтрачають сенс. Тому термін «сила» у випадках слід сприймати як «взаємодія».
1.1. Гравітація.
1.2. Електромагнетизму.
1.3. Слабка взаємодія.
1.4. Проблема єдності фізики.
2. Класифікація елементарних частинок.
2.1. характеристика субатомних частинок.
2.2. лептони.
2.3. Адрони.
2.4. Частинки – переносники взаємодій.
3. Теорії елементарних частинок.
3.1. Квантова електродинаміка.
3.2. Теорія кварків.
3.3. Теорія електрослабкої взаємодії.
3.4. Квантова хромодинаміка.
3.5. Дорогою до великого об'єднання.
Список літератури.
Вступ.
У середині і другої половини ХХ століття у тих розділах фізики, які зайняті вивченням фундаментальної структури матерії, були отримані справді дивовижні результати. Насамперед це виявилося у відкритті цілої множини нових субатомних частинок. Їх зазвичай називають елементарними частинками, але далеко не всі їх дійсно елементарні. Багато хто з них у свою чергу складаються з ще більш елементарних частинок. Світ субатомних частинок воістину різноманітний. До них відносяться протони і нейтрони, що становлять атомні ядра, а також електрони, що обертаються навколо ядер. Але є і такі частинки, які в навколишній речовині практично не зустрічаються. Час їхнього життя надзвичайно мало, воно становить найменші частки секунди. Після цього дуже короткого часу вони розпадаються на звичайні частки. Таких нестабільних короткоживучих частинок дуже багато: їх відомо вже кілька сотень. У 60-70-ті роки фізики були зовсім спантеличені численністю, різноманітністю і незвичайністю знову відкритих субатомних частинок. Здавалося, їм не буде кінця. Цілком незрозуміло, навіщо стільки частинок. Чи є ці елементарні частинки хаотичними та випадковими уламками матерії? Чи, можливо, вони таять у собі ключ до пізнання структури Всесвіту? Розвиток фізики в наступні десятиліття показало, що в існуванні такої структури немає жодних сумнівів. Наприкінці ХХ ст. Фізика починає розуміти, яке значення кожної з елементарних частинок. Світ субатомних частинок притаманний глибокий і раціональний порядок. В основі цього порядку – фундаментальні фізичні взаємодії.
1.Фундаментальні фізичні взаємодії.
В свій повсякденному життілюдина стикається з безліччю сил, які діють тіла. Тут і сила вітру або потоку води, що набігає, тиск повітря, потужний викид вибухових хімічних речовин, м'язова сила людини, вага важких об'єктів, тиск квантів світла, тяжіння і відштовхування електричних зарядів, сейсмічні хвилі, що викликають часом катастрофічні руйнування, і вулканічні виверження, що призводили до Загибелі цивілізації і т. д. Одні сили діють безпосередньо при контакті з тілом, інші, наприклад, гравітація, діють на відстані через простір. Але, як з'ясувалося в результаті розвитку теоретичного природознавства, незважаючи на таку велику різноманітність, всі сили, що діють у природі, можна звести всього лише до чотирьох фундаментальних взаємодій. Саме ці взаємодії зрештою відповідають за всі зміни у світі, саме вони є джерелом всіх перетворень тіл та процесів. Вивчення властивостей фундаментальних взаємодій складає головне завданнясучасної фізики.
Гравітація.
В історії фізики гравітація (тяжіння) стала першою з чотирьох фундаментальних взаємодій предметом наукового дослідження. Після появи у ХVII ст. ньютонівської теорії гравітації - закону всесвітнього тяжіння - вдалося вперше усвідомити справжню роль гравітації як сили природи. Гравітація має низку особливостей, що відрізняють її від інших фундаментальних взаємодій. Найбільш дивовижною особливістю гравітації є її мінімальна інтенсивність. Розмір гравітаційного взаємодії між компонентами атома водню становить 10n , де n = - 3 9 , від сили взаємодії електричних зарядів. (Якби розміри атома водню визначалися гравітацією, а чи не взаємодією між електричними зарядами, то нижча (найближча до ядра) орбіта електрона за розмірами перевищувала б доступну спостереженню частина Всесвіту!) (Якби розміри атома водню визначалися гравітацією, а чи не взаємодією між електричними зарядами, то нижча (найближча до ядра) орбіта електрона за розмірами перевищувала б доступну спостереженню частина Всесвіту!). Може здатися дивним, що ми взагалі відчуваємо гравітацію, якщо вона така слабка. Як вона може стати панівною силою у Всесвіті? Вся справа у другій дивовижній межі гравітації – її універсальності. Ніщо у Всесвіті не позбавлене гравітації. Кожна частка відчуває на собі дію гравітації і сама є джерелом гравітації. Оскільки кожна частка речовини викликає гравітаційне тяжіння, гравітація зростає в міру утворення все більших скупчень речовини. Ми відчуваємо гравітацію у повсякденному житті тому, що всі атоми Землі разом приваблюють нас. І хоча дія гравітаційного тяжіння одного атома дуже мало, але результуюча сила тяжіння з боку всіх атомів може бути значною. Гравітація - далекодіюча сила природи. Це означає, що, хоча інтенсивність гравітаційного взаємодії зменшується з відстанню, воно поширюється у просторі і може позначатися дуже віддалених джерела тілах. У астрономічному масштабі гравітаційне взаємодія, зазвичай, грає головну роль. Завдяки далекодії гравітація не дозволяє Всесвіту розвалитися на частини: він утримує планети на орбітах, зірки в галактиках, галактики в скупченнях, скупчення в Метагалактиці. Сила гравітації, що діє між частинками, завжди є силою тяжіння: вона прагне зблизити частинки. Гравітаційне відштовхування ніколи ще не спостерігалося (хоча в традиціях квазінаукової міфології є ціла область, яка називається левітація - пошук "фактів" антигравітації). Оскільки енергія, запасена у будь-якій частинці, завжди позитивна і наділяє її позитивною масою, частки під дією гравітації завжди прагнуть зблизитися. Чим є гравітація, якимсь полем або виявом викривлення простору-часу - на це питання поки що однозначної відповіді немає. Як уже зазначалося нами, існують різні думки та концепції фізиків щодо цього.
Електромагнетизму.
За величиною електричні силинабагато перевершують гравітаційні. На відміну від слабкої гравітаційної взаємодії, електричні сили, що діють між тілами звичайних розмірів, можна легко спостерігати. Електромагнетизм відомий людям з незапам'ятних часів (полярні сяйва, спалахи блискавки та ін.). Протягом тривалого часу електричні та магнітні процеси вивчалися незалежно один від одного. Як ми знаємо, вирішальний крок у пізнанні електромагнетизму зробив у середині ХІХ ст. Дж. К. Максвелл, який об'єднав електрику та магнетизм в єдиній теорії електромагнетизму - першої єдиної теорії поля. Існування електрона було твердо встановлено у 90-ті роки минулого століття. Нині відомо, що електричний заряд будь-якої частинки речовини завжди кратний фундаментальній одиниці заряду - свого роду "атому" заряду. Чому це так – надзвичайно цікаве питання. Проте чи всі матеріальні частинки є носіями електричного заряду. Наприклад, фотон і нейтрино електрично нейтральні. Щодо цього електрика відрізняється від гравітації. Усі матеріальні частинки створюють гравітаційне поле, тоді як електромагнітним полемпов'язані лише заряджені частки. Як і електричні заряди, однойменні магнітні полюси відштовхуються, а різноіменні – притягуються. Однак на відміну від електричних зарядів магнітні полюси зустрічаються не окремо, а лише парами - північний полюста південний полюс. Ще з найдавніших часів відомі спроби отримати через поділ магніту лише один ізольований магнітний полюс - монополь. Але всі вони закінчувалися невдачею. Можливо, існування ізольованих магнітних полюсіву природі виключено? Певної відповіді на це питання поки що не існує. Деякі теоретичні концепції припускають можливість існування монополя. Як електрична та гравітаційна взаємодія, взаємодія магнітних полюсів підпорядковується закону зворотних квадратів. Отже, електрична і магнітна сили "дальнодіючі", і їхня дія відчутна на великих відстанях від джерела. Так, магнітне поле Землі простягається далеко в космічний простір. Могутнє магнітне поле Сонця заповнює всю Сонячну систему. Існують і галактичні магнітні поля. Електромагнітна взаємодія визначає структуру атомів і відповідає за переважну більшість фізичних та хімічних явищта процесів (за винятком ядерних).
Слабка взаємодія.
До виявлення існування слабкої взаємодії фізика просувалася повільно. Слабка взаємодія відповідальна за розпад частинок; і тому з його проявом зіткнулися із відкриттям радіоактивності та дослідженням бета-розпаду. У бета-розпаду виявилася в вищого ступенядивна особливість. Дослідження приводили до висновку, що в цьому розпаді порушується один із фундаментальних законів фізики – закон збереження енергії. Здавалося, що у цьому розпаді частина енергії кудись зникала. Щоб "врятувати" закон збереження енергії, В. Паулі припустив, що разом з електроном при бета-розпаді вилітає ще одна частка. Вона - нейтральна і має надзвичайно високу проникаючу здатність, внаслідок чого її не вдавалося спостерігати. Е. Фермі назвав частку-невидимку "нейтрино". Але передбачення та виявлення нейтрино – це лише початок проблеми, її постановка. Треба було пояснити нейтрино природу, але тут залишалося багато загадкового. Справа в тому, що електрони і нейтрино випускалися нестабільними ядрами. Але було незаперечно доведено, що всередині ядер таких частинок немає. Як вони виникали? Було висловлено припущення, що електрони та нейтрино не існують у ядрі в "готовому вигляді", а якимось чином утворюються з енергії радіоактивного ядра. Подальші дослідження показали, що входять до складу ядра нейтрони, надані самим собі, за кілька хвилин розпадаються протон, електрон і нейтрино, тобто. замість однієї частки з'являються три нові. Аналіз приводив до висновку, що відомі силине можуть спричинити такий розпад. Він, мабуть, породжувався якоюсь іншою, невідомою силою. Дослідження показали, що цій силі відповідає деяка слабка взаємодія. Воно набагато слабше електромагнітного, хоча і сильніше гравітаційного. Воно поширюється дуже незначних відстанях. Радіус слабкої взаємодії дуже малий. Слабка взаємодія припиняється на відстані більше 10n см (де n = - 1 6) від джерела і тому не може впливати на макроскопічні об'єкти, а обмежується окремими субатомними частинками. Згодом з'ясувалося, що більшість нестабільних елементарних частинок бере участь у слабкій взаємодії. Теорія слабкої взаємодії була створена наприкінці б0-х років С. Вайнбергом та А. Саламом. З моменту побудови Максвеллом теорії електромагнітного поля створення цієї теорії стало найбільшим кроком на шляху до єдності фізики. 10.
Сильна взаємодія.
Остання у ряді фундаментальних взаємодій - сильна взаємодія, яка є джерелом величезної енергії. Найбільш характерний прикладенергії, що вивільняється сильною взаємодією, - це наше Сонце. У надрах Сонця та зірок, починаючи з певного часу, безперервно протікають термоядерні реакції, що викликаються сильною взаємодією. Але й людина навчилася вивільняти сильну взаємодію: створено водневу бомбу, сконструйовано та вдосконалюються технології керованої термоядерної реакції. До уявлення про існування сильної взаємодії фізика йшла під час вивчення структури атомного ядра. Якась сила повинна утримувати протони в ядрі, не дозволяючи їм розлітатися під впливом електростатичного відштовхування. Гравітація для цього надто слабка; очевидно, необхідна якась нова взаємодія, причому сильніша, ніж електромагнітна. Згодом його було виявлено. З'ясувалося, що за своєю величиною сильне взаємодія значно перевищує й інші фундаментальні взаємодії, але поза ядра вона відчувається. Радіус дії нової силивиявився дуже малим. Сильне взаємодія різко падає з відривом від протона чи нейтрону, перевищує приблизно 10n див (де n = - 13). Крім того, з'ясувалося, що сильну взаємодію відчувають не всі частки. Його відчувають протони та нейтрони, але електрони, нейтрино та фотони не підвладні йому. У сильній взаємодії беруть участь лише важчі частки. Теоретичне пояснення природи сильної взаємодії розвивалося важко. Прорив намітився на початку 60-х років, коли було запропоновано кваркову модель. У цій теорії нейтрони і протони розглядаються не як елементарні частки, бо як складові системи, побудовані з кварків. Таким чином, у фундаментальних фізичних взаємодіях чітко простежується відмінність сил далекодійних та близьких. З одного боку, мають місце взаємодії необмеженого радіусу дії (гравітація, електромагнетизм), з другого - взаємодії малого радіусу дії (сильне і слабке). Світ фізичних елементів загалом розгортається у єдності цих двох полярностей і є втіленням єдності гранично малого і гранично великого - близькодії у мікросвіті та далекодії у всьому Всесвіті.
Проблема єдності фізики.
Пізнання є узагальнення дійсності, і тому мета науки – пошук єдності у природі, зв'язування розрізнених фрагментів знання на єдину картину. Для того, щоб створити єдину системупотрібно відкрити зв'язуюча ланкаміж різними галузями знання, деяким фундаментальним відношенням. Пошук таких зв'язків та відносин – одне з головних завдань наукового дослідження. Щоразу, коли вдається встановити такі нові зв'язки, значно поглиблюється розуміння навколишнього світу, формуються нові способи пізнання, які вказують шлях до невідомих раніше явищ. Встановлення глибинних зв'язків між різними областями природи - це водночас і синтез знання, і метод, який спрямовує наукові дослідження з нових, неповторених доріг. Виявлення Ньютоном зв'язку між тяжінням тіл у земних умовах і рухом планет ознаменувало народження класичної механіки, на основі якої побудовано технологічну базу сучасної цивілізації. Встановлення зв'язку термодинамічних властивостейгазу з хаотичним рухом молекул поставило на міцну основу атомно-молекулярну теорію речовини У середині минулого століття Максвелл створив єдину електромагнітну теорію, що охопила як електричні, і магнітні явища. Потім у 20-х р. нашого століття Ейнштейн робив спроби об'єднати в єдиної теоріїелектромагнетизм та гравітацію. Але до середини ХХ ст. становище у фізиці радикально змінилося: було відкрито два нових фундаментальних взаємодії - сильне і слабке, тобто. при створенні єдиної фізикидоводиться рахуватися вже не з двома, а з чотирма фундаментальними взаємодіями. Це трохи охолодило запал тих, хто сподівався на швидке рішенняцієї проблеми. Але сам задум під сумнів серйозно не ставився і захопленість ідеєю єдиного опису не пройшла. Існує думка, що це чотири (чи хоча б три) взаємодії є явища однієї природи і має бути знайдено їх єдине теоретичне опис. Перспектива створення єдиної теорії світу фізичних елементів з урахуванням єдиного фундаментального взаємодії залишається дуже привабливою. Це головна мрія фізиків ХХ ст. Але довгий час вона залишалася лише мрією і дуже невизначеною. Однак у другій половині ХХ ст. з'явилися передумови здійснення цієї мрії та впевненість, що це справа аж ніяк не віддаленого майбутнього. Схоже, що незабаром цілком може стати реальністю. Вирішальний крок шляху до єдиної теорії було зроблено в 6О-70-х гг. зі створенням спочатку теорії кварків, та був і теорії електрослабкого взаємодії. Є підстави для думки, що ми стоїмо на порозі більш могутнього та глибокого об'єднання, ніж будь-коли раніше. Серед фізиків посилюється переконання, що починають вимальовуватись контури єдиної теорії всіх фундаментальних взаємодій – Великого об'єднання.
2 . Класифікація елементарних частинок.
Здавна людина прагнула пізнати і зрозуміти навколишній фізичний світ. Виявляється, всю нескінченну різноманітність фізичних процесів, що відбуваються в нашому світі, можна пояснити існуванням у природі дуже малої кількості фундаментальних взаємодій. Взаємодія їх один з одним пояснюється впорядкованість розташування небесних тіл у Всесвіті. Саме вони є тими «віршами», які рухають небесними тілами, породжують світло і уможливлюють саме життя (див. додаток
).
Таким чином, всі процеси та явища в природі, чи то падіння яблука, вибух наднової зірки, стрибок пінгвіна чи радіоактивний розпад речовин, відбуваються в результаті цих взаємодій.
Структура речовини цих тіл стабільна завдяки зв'язкам між його частинками.
1. ВИДИ ВЗАЄМОДІЙ
Незважаючи на те, що в речовині міститься велика кількість елементарних частинок, існує лише чотири види фундаментальних взаємодій між ними: гравітаційна, слабка, електромагнітна та сильна.
Найбільш всеосяжним є гравітаційне
взаємодія
. Йому піддаються всі матеріальні взаємодії без винятку - і мікрочастинки, і макротіла. Це означає, що в ньому беруть участь усі елементарні частки. Виявляється воно у вигляді всесвітнього тяжіння. Гравітація
(від лат. Gravitas - вага) управляє найбільш глобальними процесамиу Всесвіті, зокрема, забезпечує будову та стабільність нашої Сонячна система. Згідно з сучасними уявленнями, кожна із взаємодій виникає в результаті обміну частинками, званими переносниками цієї взаємодії. Гравітаційна взаємодія здійснюється за допомогою обміну гравітонами
.
, як і гравітаційне, за своєю дальнодіяльністю: відповідні сили можуть проявлятися на дуже значних відстанях. Електромагнітна взаємодія описується зарядами одного типу (електричними), але ці заряди можуть мати два знаки – позитивний і негативний. На відміну від тяжіння електромагнітні сили здатні бути як силами тяжіння, так і силами відштовхування. Фізичні та Хімічні властивостірізноманітних речовин, матеріалів та найживішої тканини обумовлені саме цією взаємодією. Воно ж приводить у дію всю електричну та електронну апаратуру, тобто. пов'язує між собою лише заряджені частки. Теорія електромагнітної взаємодіїу макросвіті називається класичною електродинамікою.
Слабка взаємодія
менш відомо за межами вузького колафізиків та астрономів, але це анітрохи не применшує його значення. Досить сказати, що якби його не було, погасли б Сонце та інші зірки, бо в реакціях, що забезпечують їхнє свічення, слабка взаємодія грає дуже важливу роль. Слабка взаємодія відноситься до короткодіючих: його радіус приблизно в 1000 разів менше, ніж у ядерних сил.
Сильна взаємодія
- Найпотужніша з усіх інших. Воно визначає зв'язки лише між адронами. Ядерні сили, що діють між нуклонами в атомному ядрі, є проявом цього виду взаємодії. Воно приблизно в 100 разів сильніше електромагнітного. На відміну від останнього (а також гравітаційного) воно, по-перше, короткодіє на відстані, більшій за 10-15м (порядку розміру ядра), відповідні сили між протонами і нейтронами, різко зменшуючись, перестають їх зв'язувати один з одним. По-друге, його вдається задовільно описати лише за допомогою трьох зарядів (квітів), що утворюють складні комбінації.
У таблиці 1 умовно представлені найважливіші елементарні частки, що належать до основних груп (адрони, лептони, переносники взаємодії).
Таблиця 1
Участь основних елементарних частинок у взаємодіях
Найважливішою характеристикою фундаментальної взаємодії є його радіус дії. Радіус дії – це максимальна відстань між частинками, за межами якої їх взаємодією можна знехтувати (Табл.2). При малому радіусі взаємодію називають короткодіючим , при великому – далекодіючим .
Таблиця 2
Основні характеристики фундаментальних взаємодій
Сильна та слабка взаємодії є короткодіючими . Їх інтенсивність швидко зменшується зі збільшенням відстані між частинками. Такі взаємодії проявляються на невеликій відстані, недоступній для сприйняття органами почуттів. З цієї причини ці взаємодії були відкриті пізніше за інших (лише у XX столітті) за допомогою складних експериментальних установок. Електромагнітна та гравітаційна взаємодії є далекодіючими . Такі взаємодії повільно зменшуються зі збільшенням відстані між частинками і немає кінцевого радіусу дії.
2. ВЗАЄМОДІЯ, ЯК ЗВ'ЯЗОК СТРУКТУР РЕЧОВИНИ
В атомному ядрі зв'язок протонів та нейтронів зумовлює сильна взаємодія . Воно забезпечує виняткову міцність ядра, що лежить в основі стабільності речовини у земних умовах.
Слабка взаємодія у мільйон разів менш інтенсивна, ніж сильна. Воно діє між більшістю елементарних частинок, що знаходяться одна від одної на відстані менше 10–17 м. Слабкою взаємодією визначається радіоактивний розпад урану, реакції термоядерного синтезу на Сонці. Як відомо, саме випромінювання Сонця є основним джерелом життя Землі.
Електромагнітна взаємодія , будучи далекодіючим, визначає структуру речовини за межами радіусу дії сильної взаємодії. Електромагнітна взаємодія пов'язує електрони та ядра в атомах та молекулах. Воно поєднує атоми та молекули у різні речовини, визначає хімічні та біологічні процеси. Ця взаємодія характеризується силами пружності, тертя, в'язкості, магнітними силами. Зокрема, електромагнітне відштовхування молекул, що знаходяться на малих відстанях, викликає силу реакції опори, внаслідок чого ми, наприклад, не провалюємося крізь підлогу. Електромагнітна взаємодія не має істотного впливу на взаємний рух макроскопічних тіл великої маси, Оскільки кожне тіло електронейтрально, тобто. воно містить приблизно однакове числопозитивних та негативних зарядів.
Гравітаційна взаємодія прямо пропорційно масі тіл, що взаємодіють. Через небагато маси елементарних частинок гравітаційне взаємодія між частинками невелике проти іншими видами взаємодії, у процесах мікросвіту це взаємодія несуттєво. При збільшенні маси взаємодіючих тіл (тобто при збільшенні числа частинок, що містяться в них) гравітаційна взаємодія між тілами зростає прямо пропорційно їх масі. У зв'язку з цим у макросвіті при розгляді руху планет, зірок, галактик, а також руху невеликих макроскопічних тіл у їхніх полях гравітаційна взаємодія стає визначальною. Воно утримує атмосферу, моря і все живе і неживе Землі, Землю, обертається орбітою навколо Сонця, Сонце у межах Галактики. Гравітаційна взаємодія грає головну роль процесах освіти та еволюції зірок. Фундаментальні взаємодії елементарних частинок зображуються за допомогою спеціальних діаграм, на яких реальній частинці відповідає пряма лінія, а її взаємодія з іншою частинкою зображується пунктиром або кривою (рис. 1).
Діаграми взаємодій елементарних частинок
Сучасні фізичні уявлення про фундаментальні взаємодії постійно уточнюються. У 1967 р. Шелдон Глешоу, Абдус Саламі Стівен Вайнбергстворили теорію, згідно з якою електромагнітна і слабка взаємодії є проявом єдиної електрослабкої взаємодії. Якщо відстань від елементарної частки менша за радіус дії слабких сил(10–17 м), то різницю між електромагнітним і слабким взаємодіями зникає. Таким чином, кількість фундаментальних взаємодій скоротилася до трьох.
Теорія "Великого об'єднання".
Деякі фізики, зокрема Г.Джорджі та Ш.Глешоу, припустили, що при переході до вищих енергій має відбутися ще одне злиття – поєднання електрослабкої взаємодії з сильним. Відповідні теоретичні схеми одержали назву Теорії «Великого об'єднання». І ця теорія зараз проходить експериментальну перевірку. Відповідно до цієї теорії, що поєднує сильну, слабку та електромагнітну взаємодії, існує лише два типи взаємодій: об'єднана та гравітаційна. Не виключено, що всі чотири взаємодії є лише окремими проявами єдиної взаємодії. Причини таких припущень розглядаються під час обговорення теорії виникнення Всесвіту (теорія Великого Вибуху). Теорія « Великого Вибуху» пояснює, як комбінація речовини та енергії породила зірки та галактики.
Фундаментальні взаємодії
У природі існує безліч природних систем і структур, особливості та розвиток яких пояснюється взаємодією матеріальних об'єктів, тобто взаємною дією один на одного. Саме взаємодія - це основна причина руху матерії і воно властиво всім матеріальним об'єктам незалежно від їх походження та їх системної організації. Взаємодія універсальна, як і рух. Об'єкти, що взаємодіють, обмінюються енергією та імпульсом (це основні характеристики їх руху). У класичної фізикивзаємодія визначається силою, з якою один матеріальний об'єкт діє іншою. Довгий час парадигмою була концепція далекодії - взаємодія матеріальних об'єктів, що знаходяться на великій відстані один від одного і воно передається через порожній простір миттєво. В даний час експериментально підтверджено іншу – Концепція близькодії – взаємодія передається за допомогою фізичних полів з кінцевою швидкістю, що не перевищує швидкості світла у вакуумі.Фізичне поле – особливий видматерії, що забезпечує взаємодію матеріальних об'єктів та їх систем (наступні поля: електромагнітне, гравітаційне, поле ядерних сил – слабке та сильне). Джерелом фізичного поля є елементарні частинки (електромагнітного – заряджені частинки), квантової теоріївзаємодія зумовлена обміном квантами поля між частинками.
Розрізняють чотири фундаментальні взаємодії в природі: сильну, електромагнітну, слабку та гравітаційну, які визначають структуру навколишнього світу.
Сильна взаємодія(ядерна взаємодія) – взаємне тяжіння складових частинатомних ядер (протонів і нейтронів) діє на відстані близько 10 -1 3 см, передається глюонами. З точки зору електромагнітної взаємодії протон та нейтрон – різні частинки, оскільки протон електрично заряджений, а нейтрон – ні. Але з точки зору сильної взаємодії, ці частинки невиразні, тому що в стабільному стані нейтрон є нестабільною часткою і розпадається на протон, електрон і нейтрино, але в рамках ядра він стає схожим за своїми властивостями з протоном, тому і був введений термін «нуклон ( від латів. Nucleus- ядро)» і протон з нейтроном стали розглядатися як два різні стани нуклону. Чим сильніша взаємодія нуклонів в ядрі, тим стабільніше ядро, тим більша питома енергія зв'язку.
У стабільній речовині взаємодія між протонами і нейтронами при не надто високих температурах посилюється, але якщо відбувається зіткнення ядер або їх частин (нуклонів, що мають високу енергію), відбуваються ядерні реакції, які супроводжуються виділенням величезної енергією.
За певних умов сильна взаємодія дуже міцно пов'язує частинки атомні ядра – матеріальні системиз високою енергією зв'язку. Саме тому ядра атомів є дуже стійкими, їх важко зруйнувати.
Без сильних взаємодій не існували б атомні ядра, а зірки та Сонце не могли б генерувати за рахунок ядерної енергії теплоту та світло.
Електромагнітна взаємодіяпередається за допомогою електричних та магнітних полів. Електричне поле виникає за наявності електричних зарядів, а магнітне за її русі. Електричне поле, що змінюється, породжує змінне магнітне – це і є джерело змінного магнітного поля. Взаємодія такого типу властиво електрично зарядженим частинкам. Носієм електромагнітної взаємодії є фотон - квант електромагнітного поля, що не має заряду. У процесі електромагнітної взаємодії електрони та атомні ядра поєднуються в атоми, атоми - в молекули. У певному сенсі ця взаємодія є основною в хімії та біології.
Близько 90% інформації про навколишній світ ми отримуємо через електромагнітну хвилю, оскільки різні агрегатні стани речовини, тертя, пружність тощо. визначаються силами міжмолекулярної взаємодії, які за своєю природою електромагнітні. Електромагнітні взаємодії описуються законами Кулона, Ампера та електромагнітною теорією Максвелла.
Електромагнітна взаємодія - це основа створення різних електроприладів, радіо, телевізорів, комп'ютерів і т.д. Воно приблизно в тисячу разів слабше сильного, але значно дальнодіючіше.
Без електромагнітних взаємодій не було б атомів, молекул, макрооб'єктів, тепла та світла.
3. Слабка взаємодіяможливо між різними частинками, крім фотона, воно є короткодіючим і проявляється на відстанях, менших за розмір атомного ядра 10 -15 - 10 -22 см. Слабка взаємодія слабша за сильну і процеси при слабкій взаємодії протікають повільніше, ніж при сильному. Відповідає за розпад нестабільних частинок (напр., Перетворення нейтрона в протон, електрон, антинейтрино). Саме завдяки цій взаємодії більшість частинок нестабільні. Переносники слабкої взаємодії – віони, частинки з масою у 100 разів більше масипротонів та нейтронів. За рахунок цієї взаємодії світить Сонце (протон перетворюється на нейтрон, позитрон, нейтрино, нейтрино, що випускається, має величезну проникну здатність).
Без слабких взаємодій були б можливі ядерні реакції у надрах Сонця і зірок, не виникали нові зірки.
4. Гравітаційна взаємодіянайслабше, не враховується в теорії елементарних частинок, так як на характерних для них відстанях (10 -13 см) ефекти малі, а на ультрамалі відстані (10 -33 см) і при ультравеликих енергіях гравітація набуває значення і починають проявлятися незвичайні властивості фізичного вакууму .
Гравітація (від латів. gravitas - «тяжкість») - фундаментальна взаємодія є далекодійною (це означає, що як би масивне тіло не рухалося, в будь-якій точці простору гравітаційний потенціал залежить тільки від положення тіла в даний момент часу) і йому схильні всі матеріальні тіла . Здебільшого гравітація грає визначальну роль космічних масштабах, Мегамирі.
В рамках класичної механіки, гравітаційна взаємодія описується законом всесвітнього тяжінняНьютона, який свідчить, що сила гравітаційного тяжіння між двома матеріальними точками маси m 1 та m 2 , розділеною відстанню R, є
Де G- гравітаційна стала.
Без гравітаційних взаємодій був галактик, зірок, планет, еволюції Всесвіту.
Від сили взаємодії залежить час, протягом якого відбувається перетворення елементарних частинок (при сильній взаємодії ядерні реакції відбуваються протягом 10 -24 - 10 -23 с., При електромагнітному - зміни здійснюються протягом 10 -19 - 10 -21 с., При слабкий розпад протягом 10 -10 с.).
Всі взаємодії необхідні та достатні для побудови складного та різноманітного матеріального світу, з них на думку вчених можна отримати суперсилу(при дуже високих температурахабо енергіях всі чотири взаємодії об'єднуються в одне).
У повсякденному житті ми стикаємося з різноманітними силами, що виникають при зіткненні тіл, терті, вибуху, натягу нитки, стиску пружини і т.д. Проте всі ці сили є результатом електромагнітного взаємодії атомів друг з одним. Теорія електромагнітної взаємодії була створена Максвеллом у 1863 році.
Іншою давно відомою взаємодією є гравітаційна взаємодія між тілами, які мають масу. У 1915 р. Ейнштейн створив загальну теоріювідносності, що зв'язала гравітаційне поле з викривленням простору-часу.
У 1930-ті роки. було виявлено, що ядра атомів складаються з нуклонів, причому електромагнітні, ні гравітаційні взаємодії не можуть пояснити, що утримує нуклони в ядрі. Для опису взаємодії нуклонів у ядрі було запропоновано сильну взаємодію.
При продовженні вивчення мікросвіту з'ясувалося, деякі явища не описуються трьома типами взаємодії. Тому для опису розпаду нейтрону та інших подібних процесів було запропоновано слабку взаємодію.
Сьогодні всі відомі у природі сили є продуктом чотирьох фундаментальних взаємодій, які можна розташувати за спаданням інтенсивності в наступному порядку:
- 1) сильна взаємодія;
- 2) електромагнітна взаємодія;
- 3) слабка взаємодія;
- 4) гравітаційна взаємодія.
Фундаментальні взаємодії переносяться елементарними частинками - переносниками фундаментальних взаємодій. Ці частки називають калібрувальними бозонами.Процес фундаментальних взаємодій тіл можна уявити наступним чином. Кожне тіло випускає частинки - переносники взаємодій, які поглинаються іншим тілом. При цьому тіла зазнають взаємного впливу.
Сильна взаємодіяможе виникати між протонами, нейтронами та іншими адронами (див. нижче). Воно є короткодіючим і характеризується радіусом дії сил близько 10 15 м. Переносником сильної взаємодії між адронами є півонії, Причому тривалість протікання взаємодії становить близько 10 23 с.
Електромагнітна взаємодіямає на чотири порядки меншу інтенсивність порівняно з сильною взаємодією. Воно виникає між зарядженими частинками. Електромагнітна взаємодія є довгодіючим і характеризується нескінченним радіусом дії сил. Переносником електромагнітної взаємодії є фотони, причому тривалість протікання взаємодії становить близько 10 20 с.
Слабка взаємодіямає на 20 порядків меншу інтенсивність порівняно із сильною взаємодією. Воно може виникати між адронами та лептонами (див. нижче). До лептонів входять, зокрема, електрон і нейтрино. Прикладом слабкої взаємодії є розглянутий вище p-розпад нейтрону. Слабка взаємодія є короткодіючою і характеризується радіусом дії сил порядку 10 18 м. Переносником слабкої взаємодії є векторні бозони, Причому тривалість протікання взаємодії становить близько 10 10 с.
Гравітаційна взаємодіямає на 40 порядків меншу інтенсивність порівняно із сильною взаємодією. Воно виникає між усіма частинками. Гравітаційна взаємодія є довгодіючим і характеризується нескінченним радіусом дії сил. Переносником гравітаційної взаємодії, можливо, є гравітони.Ці частки поки що не знайдено, що може бути пов'язано з малою інтенсивністю гравітаційної взаємодії. З нею пов'язано й те, що через дещицю мас елементарних частинок дана взаємодія в процесах ядерної фізики несуттєва.
У 1967 р. А. Саламом та С. Вайнбергом була запропонована теорія електро- рослого взаємодії, що об'єднала електромагнетну та слабку взаємодії. У 1973 р. було створено теорію сильної взаємодії квантова хромодинаміка.Все це дозволило створити стандартну модельелементарних частинок, що описує електромагнітну, слабку та сильну взаємодії. Всі три типи взаємодії, що розглядаються тут, виникають як наслідок постулату, що наш світ симетричний щодо трьох типів калібрувальних перетворень.