Фундаментальные взаимодействия в природе

В настоящее время известно 4 вида основных фундаментальных взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное, слабое.

Гравитационное взаимодействие – характерно для всех материальных объектов вне зависимости от их природы. Заключается во взаимном притяжении тел и определяется фундаментальным законом всемирного тяготения: между двумя точечными телами действует сила притяжения, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними. Предполагается, что гравитационное взаимодействие обусловливается некими элементарными частицами – гравитонами, существование которых к настоящему времени экспериментально не подтверждено. Данным видом взаимодействий объясняется падение тел в поле тяготения Земли, а также движение планет Солнечной системы и других макрообъектов.

Электромагнитное взаимодействие – связано с электрическим и магнитным полями. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное поле – при их движении. Существуют положительные и отрицательные электрические заряды разной величины. За единицу электрического заряда условно принят заряд электрона. Одноименно заряженные частицы отталкиваются, разноименно – притягиваются.

Электромагнитными взаимодействиями обусловлены агрегатные состояния вещества. Явления трения, упругие и другие свойства вещества определяются силами межмолекулярного взаимодействия, которые по природе являются электромагнитными.

Электромагнитное взаимодействие переносят фотоны (масса покоя равна нулю), гравитационное – гипотетические гравитоны (масса покоя также должна быть нулевой). От массы частиц зависит радиус действия сил. Эти два взаимодействия, переносимые безмассовыми частицами, имеют большой, возможно, бесконечный радиус действия.

Сильное взаимодействие – обеспечивает связь нуклонов в ядре и определяет ядерные силы. Предполагается, что ядерные силы возникают при обмене между нуклонами виртуальными частицами - мезонами. Переносчиками сильного взаимодействия, связывающего протоны и нейтроны в ядрах, являются глюоны. Радиус действия 10^-14 см.

Слабое взаимодействие – описывает некоторые виды ядерных процессов. Интенсивность его на 10-11 порядков (в 10¹⁰-10¹¹ раз) меньше интенсивности ядерных сил. Радиус его действия менее 10^-15 см.

Концепция эволюции вселенной

Идея эволюции Вселенной сегодня представляется естественной. Однако, как и всякая великая научная идея, она прошла долгий путь своего развития, борьбы и становления.

Первая релятивистская модель Вселенной, основанная на новой теории тяготения, была предложена А. Эйнштейном в 1917 году. Модель эта описывала статическую Вселенную.

В 1922-1924 годах советским математиком А. Фридманом, а позже и другими учеными были предложены общие уравнения для описания всей Вселенной, меняющейся с течением времени. Из них следовало, что звездные системы не могут находиться в среднем на неизменных расстояниях друг от друга. Они должны либо удаляться, либо сближаться – это результат сил тяготения, которые главенствуют в космических масштабах. Следовательно, по Фридману, Вселенная не может находиться в статичном состоянии, она должна либо расширяться, либо сжиматься.

В 1929 г. американский астроном Э. Хаббл установил, что свет от далеких галактик смещается в сторону красного конца спектра. Это явление получило название «явления красного смещения». Согласно принципу Доплера явление красного смещения свидетельствует об удалении (разбегании) галактик от наблюдателя, то есть Вселенная на данном этапе расширяется. Обнаружение явления красного смещения, таким образом, стало первым практическим подтверждением модели А. Фридмана.

На первый план выдвигаются проблемы исследования расширения Вселенной и определения ее возраста по продолжительности этого расширения. На этом этапе развитие космологии связано с работами американского физика Г. Гамова. Им и его школой исследуются физические процессы, происходившие на разных стадиях эволюции расширяющейся Вселенной.

Согласно современной концепции «горячей Вселенной», «вещественная» Вселенная появилась из физического вакуума в результате «Большого взрыва» около 13 млрд. 700 млн. лет назад. В первоначальный момент своего существования Вселенная находилась в состоянии «ядерной капли», размеры которой были сопоставимы с размером атомного ядра, а плотность ее была равной 10⁹³ г/см³. Состояла Вселенная на этом этапе из свободных элементарных частиц: фотонов, электронов, позитронов, протонов, нейтронов и др., которые не могли еще связываться в атомы из-за очень высокой температуры (10¹³ К) – эра хаоса.

Вещество Вселенной начало быстро расширяться и остывать. Нуклоны получили возможность связываться, образуя атомные ядра – адронная эра. Через полчаса после ее начала все нейтроны оказались связанными с частью протонов, образовав ядра гелия и дейтерия. Вселенная продолжала расширяться и остывать. Еще через 500 тыс лет температура Вселенной снизилась до 3000 К. Электроны теперь смогли прочно соединиться с ядрами. Образовались атомы водорода и гелия – лептонная эра.

Свободные электроны быстро исчезли, прекратилось их взаимодействие с фотонами, барионное вещество Вселенной стало прозрачным. Излучение отделилось от атомарного вещества и образовало то, что в нашу эпоху назвали «реликтовым излучением» - радиационная (фотонная) эра. Реликтовое излучение экспериментально было обнаружено в 1964 г. Это выдающееся открытие и серьезное подтверждение концепции горячей Вселенной.

Остывая и взаимодействуя на протяжении миллионов лет, вся эта масса рассеянного в пространстве вещества концентрировалась в большие и малые газовые образования, которые сближались, сливались, образуя громадные комплексы. В них выделялись более плотные участки – звезды, галактики, которые и сейчас продолжают эволюционировать. Это современная – звездная эра.

На современном этапе существует несколько моделей развития Вселенной. Общим для них являются нестационарность, изотропность, однородность моделей.

Нестационарность означает, что Вселенная не может находиться в статическом состоянии, а должна либо расширяться, либо сжиматься.

Изотропность Вселенной означает, что ее свойства не зависят от направления.

Однородность означает однородное в среднем распределение вещества во Вселенной.

Эти три свойства Вселенной объединяются термином космологический постулат.

Существует также гипотеза о цикличности состояния Вселенной. Согласно ей, возникнув когда-то из сверхплотного сгустка материи, Вселенная, возможно, уже в первом цикле породила внутри себя миллиарды звездных систем и планет. Но затем Вселенная неизбежно начинает стремиться к исходному состоянию. Красное смещение сменяется фиолетовым, радиус Вселенной уменьшается, и, в конце концов, вещество Вселенной возвращается в первоначальное сверхплотное состояние, по пути безжалостно уничтожив и возможную жизнь. И так повторяется каждый раз в каждом цикле на протяжении вечности. В пользу гипотезы «пульсирующей Вселенной» современная космология располагает рядом аргументов чисто математического характера.