2.2. Фундаментальные взаимодействия и фундаментальныe законы

Большинство концепций современного естествознания прямо или косвенно сформировались на основе базовых фундаментальных концепций, которые были сформулированы в физике. Они являются наиболее простыми и вместе с тем универсальными, определяющими взаимодействия и поведение всех объектов материального мира. К ним относятся: фундаментальные взаимодействия, симметрия и асимметрия, законы сохранения.

Фундаментальные взаимодействия

Несмотря на все многообразие взаимодействий материальных объектов и различных видов сил, все их в настоящее время удалось свести к четырем типам фундаментальных взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное (ядерное) и слабое.

Гравитационное взаимодействие – это наиболее универсальное взаимодействие, проявляющееся для всех без исключения материальных объектов как в виде вещества, так и в виде поля. Суть его заключается во взаимном притяжении любых материальных объектов и описывается законом Всемирного тяготения: , где – гравитации-онная постоянная; – расстояние между центрами масс взаимодействующих объектов; – гравитационные массы объектов.

Гравитационная масса m – это внутреннее свойство всех элементов материи, включая и фотоны, заключающееся в способности создавать гравитационные поля и посредством их притягиваться друг к другу. Характерными свойствами гравитационного взаимодействия являются: неограниченный радиус действия и ненасыщенность (любой гравитационный объект может одновременно взаимодействовать с любым количеством других объектов).

Величина силы гравитационного взаимодействия существенно определяется массами взаимодействующих объектов. Для объектов макро- и микромира она пренебрежимо мала. Для объектов мегамира (звезд, планет, галактик) гравитационное взаимодействие является столь существенным, что именно оно определяет движение планет в Солнечной системе (законы Кеплера), удерживает звезды в созвездиях, созвездия в Галактиках и т.д. Именно гравитационное взаимодействие удерживает атмосферу планет, в том числе на Земле, не позволяя ей рассеяться в пространство Вселенной.

На основе закона Всемирного тяготения рассчитаны орбиты планет, в том числе Земли, определены их скорости и периоды обращения (длительность суток и года), что совпадает с наблюдениями, проводимыми изо дня в день, из года в год. Но самым убедительным подтверждением ньютонова закона тяготения считают открытие «на кончике пера» новой планеты Солнечной системы, названной Нептун. История этого открытия сводится к следующему: в 1781 году Гершель открыл планету Уран. Для нее на основе закона Всемирного тяготения были вычислены элементы орбиты и составлены таблицы движения. Однако обнаружилось, что Уран в своем движении отклоняется от расчетных параметров. Французский ученый Леверье предположил, что это отклонение вызвано влиянием неизвестной планеты, находящейся дальше Урана, и сделал расчеты ее орбиты. В 1846 году берлинский астроном Галле обнаружил в телескоп в указанном месте предсказанную планету, которую назвали Нептун. Ее положение на небе отличалось от расчетного всего на . Позже было обнаружено, что в зарисовках Галилея в том же участке неба есть слабенькая звездочка, которую он не догадался принять за новую неизвестную планету.

Несмотря на значительный «возраст» открытия закона Всемирного тяготения, а также на очевидность его проявления, природа гравитации до настоящего времени не установлена. Предполагается, что гравитационное взаимодействие должно быть связано с некими элементарными частицами – гравитонами. Однако экспериментально пока не удается зарегистрировать ни потоки этих частиц, ни гравитационные волны.

Электромагнитное взаимодействие – это взаимодействие как покоящихся, так и движущихся зарядов. Носителем отрицательного заряда в веществе является электрон , а носителем положительного заряда является протон . Электрический заряд также, как и масса – это внутреннее свойство частиц и не только электронов и протонов, но и большого числа других элементарных частиц, которые не являются составной частью вещества, но обнаруживаются в космических лучах, либо синтезируются на ускорителях элементарных частиц в лабораториях.

Взаимодействие электрических зарядов осуществляется за счет электромагнитного поля, которое создается самими зарядами.

Если заряды покоятся, то они создают электростатические поля и их взаимодействия (одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются) описываются законом Кулона: – константа электромагнитного взаимодействия; – модули точечных взаимодействующих зарядов; r – расстояние между ними.

Если заряды движутся, то кроме электрического поля они создают магнитное поле. Следует отметить, что магнитное поле может создаваться только движущимися зарядами или переменным электрическим полем – никаких магнитных зарядов, тем более «магнитных монополей» в природе не обнаружено.

Способность движущихся зарядов создавать электрические и магнитные поля приводит к тому, что они испытывают как электрические, так и магнитные взаимодействия, которые описываются разными законами, а силы этих взаимодействий различаются не только величиной, но и направлением. Например, два электрона, движущихся в одном направлении со скоростью v, будут отталкиваться за счет электрического взаимодействия и притягиваться за счет магнитного. Величина электрических и магнитных сил существенно зависит от скорости движения частиц и при v c, где , магнитное притяжение становится пренебрежимо малым, поэтому пучки движущихся одноименно заряженных частиц будут расходящимися. В тоже время два параллельных проводника с одинаково направленными токами, а ток – это направленное движение заряженных частиц, будут притягиваться друг к другу за счет магнитного взаимодействия. Электрическое взаимодействие при этом отсутствует, поскольку проводники с токами электронейтральны. В них электрическое поле движущихся электронов, переносящих ток, скомпенсировано полем положительно заряженных ионов кристаллической решетки.

Если заряды движутся с ускорением, то они передают свою энергию электромагнитному полю и излучают его в пространство, а далее электромагнитное поле распространяется совершенно независимо от «породившей» его системы зарядов. Это позволяет рассматривать электромагнитное поле, как самостоятельный физический объект, представляющий особую форму материи, в отличие от вещества не состоящую из молекул, но обладающую также как и вещество энергией, массой, импульсом. Носителем электромагнитного поля являются фотоны – это квантовые объекты, которым присуще свойство быть одновременно волной и частицей, т. е. корпускулярно-волновой дуализм.

При распространении в пространстве проявляются волновые свойства фотонов, поэтому электромагнитное поле существует в виде электромагнитных волн. Независимо от способа получения все электромагнитные волны распространяются в вакууме с одинаковой скоростью , а вот длина волны и энергия у них всецело зависят от способа получения. Так электромагнитные волны радиодиапазона имеют длину волны порядка м, инфракрасное излучение, испускаемое всеми нагретыми телами, имеет диапазон от м до м; белый свет составляют электромагнитные волны длиной от ; длина волны ультрафиолетового излучения имеет порядок м; рентгеновского излучения от ; а самое коротковолновое излучение – это -излучение (радиация), его длина волны

Энергия электромагнитных волн изменяется в обратном порядке. Используя корпускулярные свойства фотонов, ее можно рассчитать как , где – частота электромагнитных волн. Самой большой энергией обладает -излучение (радиация). Его энергия такова, что попадая на живую клетку, оно просто разрушает ее. Опасными для живых организмов являются также рентгеновское и ультрафиолетовое излучения. Их биологическое действие на живую клетку обусловлено химическими изменениями в молекулах нуклеиновых кислот (ДНК, РНК) и белков, что приводит к нарушению деления клеток, возникновению мутаций и даже гибели клеток. В тоже время малые дозы ультрафиолета оказывают благоприятное воздействие на живые организмы, в частности способствуют выработке у них витамина D. Длительное электромагнитное облучение от монитора компьютера или телевизора также неблагоприятно для организма.

Электромагнитное взаимодействие, также как и гравитационное, является универсальным по отношению к зарядам и не ограничено радиусом действия, в тоже время оно существенно превосходит гравитационное. Так, сила кулоновского отталкивания двух электронов примерно в 10⁴³ раз превосходит силу их гравитационного притяжения. Именно поэтому электромагнитное взаимодействие является основной силой, объединяющей в прочную конструкцию электроны и ядра в атомах; обеспечивает сохранение геометрической формы твердых тел и изделий из них; определяет строение и свойства вещества, его агрегатное состояние и тип химической связи; лежит в основе биохимических процессов в живых организмах; обеспечивает энергией фотосинтез растений, их рост и развитие и т.д.

Теоретические основы электромагнетизма сформировались к концу ХIХ века. К этому времени были разработаны методы расчета электрических и магнитных полей и их воздействий на электрические заряды, а также были установлены законы взаимодействия заряженных частиц и проводников с токами. Завершающим этапом становления классической электродинамики явилось создание Максвеллом теории электромагнитного поля, что позволяет описать практически все известные электрические и магнитные взаимодействия. Благодаря этому стало возможным использовать электромагнитное взаимодействие на практике и включать его во всевозможные технологии. В результате уже второе столетие электрическая энергия является наиболее распространенным видом энергии, используемой человеком, а электромагнитные волны, благодаря высокой скорости распространения, стали основным носителем информации в системах радио, телевизионной и телефонной связи.

Сильное взаимодействие (ядерное) обеспечивает связь между протонами и нейтронами внутри ядра. Оно является самым сильным из всех известных типов взаимодействий, в сотни раз превосходит электромагнитное отталкивание положительно заряженных протонов ядра, благодаря чему ядра, а значит атомы и вещество в целом стабильны. Ядерное взаимодействие является короткодействующим, ограничено радиусом ядра ( ) и насыщенным. Взаимодействие протонов и нейтронов внутри ядра носит обменный характер. Время такого взаимодействия составляет около 10^–22 с и является практически виртуальным.

Природа внутриядерных взаимодействий, согласно квантовой хромодинамике, обусловлена уникальными свойствами протонов и нейтронов. В свободном состоянии протон и нейтрон – это две разные элементарные частицы, отличающиеся зарядом, массой и временем жизни. Протон р – это стабильная, положительно заряженная частица, время жизни которой , что значительно превышает время существования Вселенной. Нейтрон – частица нейтральная, время жизни которой оценивают примерно мин, после чего она распадается на электрон, протон и электронное антинейтрино. При сильном взаимодействии внутри ядра протон и нейтрон проявляют одинаковые свойства и рассматриваются как два разных зарядовых состояния одной частицы – нуклона. Предполагается, что нуклоны внутри ядра окружены виртуальными частицами, которые они постоянно испускают, поглощают и обмениваются ими между собой. Считается, что ядерные силы обусловлены обменом между нуклонами виртуальными частицами, в основном -мезонами (пионами). Сами элементарные частицы, согласно кварковой модели, рассматриваются как системы различных типов кварков, объединенных глюонным взаимодействием.

Учитывая насыщенный характер ядерных сил, для стабильности ядер необходимо, чтобы количество протонов и нейтронов в них находилось в определенном соотношении. Если такое соотношение нарушено, ядро становится нестабильным, что приводит к радиоактивному распаду с выделением или -частиц и ядра изотопов других химических элементов.

Слабое взаимодействие ответственно за процессы, обусловливающие некоторые виды -распадов элементарных частиц с радиусом действия почти точечным: около м. Слабое взаимодействие осуществляют так называемые слабые бозоны, в результате чего в процессе -распада одни частицы превращаются в другие.

Ниже приводится таблица, характеризующая все 4 типа фундаментальных взаимодействий (табл.1).

Таблица 1

Фундаментальные взаимодействия в природе

Виды взаимодействий	Сравнительная величина	Радиус действия
Сильное (ядерное)	1	м
Электромагнитное
Слабое		м
Гравитационное

Из данной таблицы следует, что гравитационное взаимодействие в микромире практически не проявляется. С другой стороны из-за неограниченного радиуса его действия в мегамире для электронейтральных объектов (планет, звезд, галактик) оно является единственным видом взаимодействия.