3.3 Развитие представлений о взаимодействии

Представление о физическом взаимодействии древних греков тесно связано с концепцией движения. Очевидно, что если сила равна нулю, то и скорость будет такой же. Но Аристотель прекрасно знал, что стрела, выпущенная из лука, продолжает двигаться уже после того, как на нее перестает действовать сила тетивы; продолжает лететь камень, выпущенный из руки. На это у Аристотеля свой ответ – так называемая теория «антиперистасиса». Суть ее состоит в том, что в момент бросания камня рука приводит в движение не только камень, но и окружающую среду, в данном случае воздух. Рука сообщает окружающей среде некий «виртус мовенс» – способность передавать движение другим телам. Передвигаясь в соседнее место за счет «виртус мовенс», камень сдвигает новый участок среды и т. д. Замедление в процессе такого движения, происходящее за счет сопротивления среды, Аристотель объясняет тем, что при передачах «виртус мовенс» от камня к воздуху и обратно часть его теряется, и движение постепенно замедляется. Значит, в пустоте такого движения не должно происходить, но как раз только в пустоте можно осуществить движение по инерции, когда на тело не действуют силы сопротивления. Но Аристотель пустоты не признавал, он даже смеялся над теми, кто пытался использовать это понятие. «Что такое пустота?» – спрашивал он. И отвечал: «Это место без помещенных туда тел».

Таким образом, передача воздействия, согласно Аристотелю, осуществляется только через посредников, при непосредственном контакте (своего рода первоначальная форма концепции близкодействия). А само взаимодействие понимается Аристотелем как действие движущего на движимое, т. е. одностороннее воздействие одного тела на другое.

Несколько иной вид получила концепция взаимодействия с появлением механической картины мира. Так Ньютон говорил о том, что силы, возникающие при взаимодействии двух тел, всегда имеют одну природу (3-ий закон Ньютона). Если, например, Земля притягивает Луну с силой тяготения, то равная по модулю и противоположно направленная сила, действующая со стороны Луны на Землю, также является силой тяготения.

Вообще говоря, все многообразие взаимодействий механическая картина мира сводила только к гравитационному, которое означало наличие сил притяжения между любыми телами. Величина этих сил определялась законом всемирного тяготения, который гласит, что

47

сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы M и m, разделенными расстоянием r, пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния – то есть:

F =G Mmr2 ,

где G – гравитационная постоянная, равная примерно

6,67∙10-11 Н·м²·кг-².

Гравитационные силы проявляют себя только как силы притяжения: они стремятся сблизить частицы. Гравитационное отталкивание (антигравитация) не обнаружено. Гравитационные силы являются универсальными, т. е. они действуют всегда и между любыми телами и сообщают любым телам одинаковое ускорение.

Факт. Гравитационное взаимодействие в 1039 раз меньше силы взаимодействия электрических зарядов. Но ничто во Вселенной не может избежать гравитации. Каждая частица испытывает на себе действие гравитации и, в свою очередь, сама является источником гравитации, вызывает гравитационное притяжение. Гравитация возрастает по мере образования все больших скоплений вещества. И хотя притяжение одного атома пренебрежимо мало, но результирующая сила притяжения со стороны всех атомов может быть значительной. Это проявляется и в повседневной жизни: мы ощущаем гравитацию потому, что все атомы Земли сообща притягивают нас.

Решая проблему взаимодействия тел, Ньютон предложил принцип дальнодействия. Согласно этому принципу, взаимодействие между телами происходит мгновенно на любом расстоянии, без материальных посредников (через пустоту), т. е. промежуточная среда в передаче взаимодействия участия не принимает.

Несмотря на то, что гравитация была первым взаимодействием, описанным математической теорией, а сам термин был введен в науку еще Аристотелем, это взаимодействие до сих пор остается наименее изученным из всех фундаментальных взаимодействий. До сих пор не создано полной и последовательной теории тяготения. В этом отношении мало что изменилось со времен Ньютона, который о явлении гравитации писал, что причину свойств тяготения до сих пор невозможно вывести из явлений природы. Довольно того, что тяготение существует и действует согласно изложенным законам и этого вполне достаточно для объяснения движения всех небесных тел.

Следующий этап в развитии представлений о взаимодействии связан с появлением классической электродинамики, в основе которой

48

лежат уравнения Максвелла. Сущность уравнений классической электродинамики сводится к эмпирическому закону Фарадея и закону Кулона, который эквивалентен закону всемирного тяготения Ньютона

(сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных

тел прямо пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними):

F = k Qqr2 .

Факт. Между разноименными зарядами возникают силы притяжения, а между одноименными зарядами – силы отталкивания.

Уравнения Максвелла позволяют единообразно описать стационарные и нестационарные электромагнитные явления, связать пространственные и временные изменения электрического и магнитного полей. Эти уравнения имеют решения, которые описывают электромагнитные волны, распространяющиеся со скоростью света. Из них можно получить решения для совокупности всех волн, которые могут распространяться в любом направлении в пространстве. Ньютоновский принцип дальнодействия заменяется принципом близкодействия, который утверждает, что любые взаимодействия передаются только через материального посредника – физическое поле, от точки к точке непрерывно и с конечной скоростью. Таким образом, взаимодействие передается с помощью полевого механизма: заряд создает соответствующее поле, которое действует на соответствующие заряды.

Согласно современным воззрениям, все действующие в природе силы можно свести к четырем фундаментальным взаимодействиям: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное. Каждое из этих взаимодействий имеет сходство друг с другом и в то же время свои отличия .

Сила взаимодействия для любого типа взаимодействия может быть представлена в виде:

F = k · Q1 · Q2 · f(r),

где k – константа (относительная сила) взаимодействия;

Q1, Q2 – соответствующие заряды участников взаимодействия;

f(r) – функция, определяющая зависимость силы взаимодействия от расстояния.

49

Для любого взаимодействия справедлив квантово-полевой механизм передачи взаимодействий: заряд испускает виртуальные частицы-переносчики соответствующего взаимодействия, поглощаемые другими аналогичными зарядами.

Каждому фундаментальному взаимодействию соответствует своя частица-переносчик этого взаимодействия: у электромагнитного – это фотоны, у гравитационного – гравитоны,

у слабого – промежуточные векторные бозоны, у сильного –

глюоны. Многие характеристики фундаментальных взаимодействий определяются свойствами частиц-переносчиков: масштабы, в которых эффективно фундаментальное взаимодействие, определяются массой его частиц-переносчиков и способностью его зарядов взаимно компенсироваться.

Стоит отметить, что каждое из четырех взаимодействий играет исключительно важную роль в нашей Вселенной.

Благодаря своему глобальному характеру гравитация ответственна и за такие крупномасштабные эффекты, как структура галактик, черные дыры и расширение Вселенной, и за элементарные астрономические явления – орбиты планет, и за

распространенное в окружающем нас мире (макромире), а также самое широко используемое в современном быту и технике. Трудно представить себе физический процесс или природное явление, где бы ни участвовало электромагнитное взаимодействие. Благодаря электромагнитным силам возникают атомы, молекулы, вещество, макроскопические тела, электромагнитным взаимодействием определяются свойства агрегатных состояний вещества, протекают химические реакции, проявляются силы трения, упругости, поверхностного натяжения. Электромагнитную природу имеют процессы ионизации, рекомбинации, давления света, фотосинтез, фоторасщепление ядер и многие другие.

Сильное взаимодействие не только обеспечивает устойчивость атомных ядер и создает возможность образования всего многообразия химических элементов, но и является источником огромной энергии. Благодаря сильному взаимодействию происходят реакции термоядерного синтеза внутри звезд, в частности и в недрах Солнца.

Слабое взаимодействие – это единственный тип взаимодействия, который меняет тип микрочастиц, превращая их в

50

другие микрочастицы. Слабое взаимодействие играет исключительную роль в термоядерных реакциях на Солнце, т. к. без слабого взаимодействия невозможен процесс превращения протона в нейтрон, позитрон и нейтрино, в результате которого четыре протона превращаются в 4He, два позитрона и два нейтрино. Благодаря особым свойствам слабого взаимодействия термоядерные реакции внутри Солнца и других звезд протекают ровно и спокойно, не носят взрывной характер. Слабые силы участвуют в процессах, приводящих к гравитационному коллапсу (сжатию) массивных звезд, что приводит к вспышкам сверхновых с последующим образованием нейтронных звезд и черных дыр.

Основные сведения по фундаментальным взаимодействиям представлены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 – Фундаментальные взаимодействия

52