3.3. Фундаментальные взаимодействия

_{В основе всех механических явлений лежат две фундаментальные силы (два фундаментальных взаимодействия); это – силы гравитационного и электромагнитных взаимодействий. Все силы в механике являются проявлением этих двух фундаментальных взаимодействий.}

_{Названных взаимодействий, однако, недостаточно для объяснения всех физических явлений. Исследование процессов с участием атомных ядер и элементарных частиц показало, что в природе существуют взаимодействия еще двух видов – так называемые сильные, или ядерные, и слабые.}

_{Интенсивность каждого вида взаимодействий характеризуется безразмерной величиной α, называемой константой взаимодействия. Еще одной характеристикой является наибольшее расстояние, на котором осуществляется взаимодействие. Это расстояние называется радиусом действия соответствующих сил.}

_{Гравитационное и электромагнитное взаимодействия – дальнодействующие, их радиус действия равен бесконечности. По этой причине именно они и ответственны за все крупномасштабные, макроскопические явления – начиная от явлений в повседневной жизни и кончая явлениями, происходящими в далеких звездах и галактиках. Гравитационное взаимодействие имеет самую малую константу взаимодействия, определяемую как}

_{где G = 6,67∙10–11 м3/(кг∙с2) – гравитационная постоянная, mp = = 1,67∙10–27 кг – масса протона, ℏ = 1,05∙10–34 Дж∙с – квантовая постоянная, c = 3∙108 м/с – скорость света в вакууме. По порядку величины αg равно 10–39. И хотя гравитационное взаимодействие и являются самым слабым, но именно оно было открыто первым и в подавляющем числе явлений астрофизики и космологии играет основную роль. Кроме того, гравитационные силы обладают еще двумя замечательными свойствами: они имеют один знак (притяжение) и они универсальны (всеобщи) – гравитационные взаимодействия испытывают все материальные тела. В микромире (мире элементарных частиц) гравитационные силы заметной роли не играют. Гравитационные силы описываются законом всемирного тяготения, рассмотренным нами в п. 3.2.}

_{Электромагнитное взаимодействие имеет место между телами, обладающими электрическими зарядами и магнитными моментами. Основным законом электромагнитных взаимодействий является закон Кулона, определяющий силу взаимодействия точечных неподвижных электрических зарядов (заряженных материальных точек). Согласно этому закону, сила взаимодействия точечных неподвижных зарядов q1 и q2 прямо пропорциональна произведению модулей этих зарядов и обратна пропорциональна расстоянию r между ними:}

_{где k коэффициент пропорциональности, зависящий от от выбора системы единиц измерения. В СИ коэффициент k = 9⋅109 Н⋅м2/Кл2. Силы, определяемые законом Кулона, называют кулоновскими, электростатическими или просто электрическими силами. В отличие от гравитационных сил, кулоновские силы могут быть как силами притяжения, так и силами отталкивания. Если заряды движутся, к электрической силе добавляется еще сила, пропорциональная скорости движения зарядов и называемая магнитной силой (отсюда и название – электромагнитные взаимодействия). При малых (нерелятивистских) скоростях магнитная составляющая составляет незначительную часть электрической силы взаимодействия, и эта электрическая сила с большой точностью описывается законом Кулона. Константа электромагнитного взаимодействия}

_{где e = 1,6∙10–19 Кл – заряд электрона, ε0 = 8,85∙10–12 Ф/м – электрическая постоянная. Величина αg имеет порядок 10–2. Электромагнитное взаимодействие, обеспечивая связь атомарных электронов с ядрами, обусловливает существование атомов а обеспечивая связь межу атомами, обусловливает существование молекул и макроскопических тел. Электромагнитное взаимодействие между молекулами и ионами лежит в основе существования и деятельности клеток живых организмов. Проявлением электромагнитного взаимодействия в механике являются упругие силы, реакция связи и силы трения.}

_{Ядерные и слабые взаимодействия имеют чрезвычайно короткий радиус действия, поэтому вызываемые ими явления заметны лишь в масштабах ядерных размеров. Тем не менее эти силы имеют для нашего существования первостепенное значение.}

_{Константа ядерного (или сильного) взаимодействия}

_{где gs = 2,4∙10–12 Вт∙м – так называемый эффективный заряд (или константа связи) ядерного взаимодействия. По порядку величины αs равна 10, а радиус действия 10–15 м (радиус ядра атома). Если интенсивность ядерного взаимодействия принять за единицу, то гравитационное взаимодействие будет составлять 10–40 от ядерного, а электромагнитное – 10–3.}

_{Сильное взаимодействие в виде эффективного взаимного притяжения протонов и нейтронов обеспечивает связь нуклонов (протонов и нейтронов) в атомных ядрах и стабильность ядер. Ядерные силы обладают зарядовой независимостью, им подвержены как обладающие электрическим зарядом протоны, так и электрически нейтральные нейтроны. Они не всегда являются только силами притяжения; на расстояниях порядка 10–16 м они становятся силами отталкивания, что свидетельствует о наличии у протонов и нейтронов твердой сердцевины. Вследствие очень высокой интенсивности сильных взаимодействий с ними связана большая энергия. Реакции термоядерного синтеза обусловлены именно этими взаимодействиями. Протекание таких реакций в недрах Солнца и звезд создает их свечение.}

_{Слабое взаимодействие проявляется в радиоактивных распадах и взаимных превращениях элементарных частиц. Большинство известных частиц участвует в этом взаимодействии. Слабое взаимодействие сложнее электромагнитного в том отношении, что если электромагнитное взаимодействие не изменяет природу частиц, то слабое взаимодействие превращает взаимодействующие частицы в частицы другого вида. Например, при слабом взаимодействии нейтрона и нейтрино возникают новые частицы – протон и электрон. Слабые взаимодействия иногда проявляются и в космических явлениях. При гравитационном коллапсе массивных звезд в их недрах за счет взаимных превращений частиц образуется очень большое количество нейтрино. Извергаемые из недр звезды нейтринные потоки, несмотря на то, что нейтрино присущи только слабые взаимодействия, сбрасывают верхние слои звезды, превращая их в облака космического газа. При этом звезда в течение некоторого времени очень ярко светится. Такие явления называются взрывами сверхновых. Константа слабого взаимодействия}

_{где GF = 1,41∙10–57 м/(кг2∙с) – постоянная Ферми. Как видим, αW имеет порядок 10–10 и составляет 10–11 от сильного взаимодействия; радиус слабого взаимодействия – 10–18 м.}

_{Таким образом, из проведенного рассмотрения следует, что гравитационное взаимодействие слабее сильного в раз, электромагнитное – в 103 раз и слабое – в 1015 раз.}

_{Существует предположение, что все четыре типа фундаментальных взаимодействий являются проявлением одной так называемой Суперсилы. Эта сила может существовать при энергии 1015 ГэВ. Такие энергии соответствуют температуре Вселенной через 10–10 с после так называемого Большого взрыва. В настоящее время физики работают над теорией Великого объединения – объединения всех четырех сил в одну Суперсилу. Большое объединение – объединение электромагнитного и слабого взаимодействий в одно электрослабое взаимодействие уже произошло. Считается, что при очень высоких температурах или энергиях (порядка 100 ГэВ) слабое и электромагнитное взаимодействия объединяются и создают единый фундаментальный заряд. Этот заряд порождает общее (электрослабое) поле, квантом которого служит безмассовая частица бозон.}