6. Фундаментальные взаимодействия
В природе существуют различные системы связанных между собой объектов (ядра, атомы, макротела, астрофизические системы).
Принято считать, что в мире существует четыре типа основных (фундаментальных) взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Одной из характеристик взаимодействия частиц является энергия, которую необходимо израсходовать для того, чтобы разрушить систему частиц. По этому признаку основные взаимодействия распределяются так: самое слабое - гравитационное, затем - слабое, электромагнитное и сильное. Для элементарных частиц интенсивность взаимодействий по отношению к сильным распределяется следующим образом: сильное - 1, электромагнитное – 10-3, слабое – 10 -14, гравитационное – 10-40. Гравитационные взаимодействия (это всегда притяжение) свойственны всем макро- и микрообъектам. Интенсивность взаимодействия зависит от массы тел. Кванты гравитационного поля называют гравитонами. Скорость гравитона равна скорости света в вакууме (3*108 м/с), электрический заряд равен нулю, масса покоя тоже равна нулю.
Электромагнитное взаимодействие присуще электрически заряженным частицам, оно зависит от электрического заряда частиц. Это может быть как притяжение, так и отталкивание. Кванты электромагнитного поля называются фотонами. Скорость фотона равна скорости света в вакууме, электрический заряд равен нулю, масса покоя тоже равна нулю (до сих пор все попытки зарегистрировать гравитационные волны оказались безуспешными, поэтому понятие гравитона является пока чисто теоретической гипотезой).
Сильное взаимодействие характерно для всех адронов и кварков, в том числе для нуклонов в ядре. На расстояниях порядка 10-15 м сильное взаимодействие частиц ведет к их притяжению, на значительно меньших расстояниях притяжение сменяется отталкиванием, на расстояниях, больших 10 -15 м, сильное взаимодействие отсутствует. Переносчиками сильного взаимодействия являются элементарные частицы - пионы (π+, π- , π 0), которые примерно в 260 раз тяжелее электрона.
К слабым взаимодействиям относят явления β-распада (характерное время 10-10... 10-6 с) и взаимодействие нейтрино с веществом. Взаимодействие осуществляется с помощью промежуточных бозонов при условии, что частицы подходят друг к другу на расстояние около 1*10 -18м, что случается весьма редко. Масса покоя промежуточных бозонов значительно больше, чем масса покоя протонов.
При высоких температурах порядка 1016 К исчезает различие между слабым и электромагнитным взаимодействиями (говорят об едином электрослабом взаимодействии). При температурах порядка 1019 К исчезает различие между электрослабым и сильным взаимодействиями.
11. Какие взаимодействия являются сильными: а) между нуклонами в яд- ре; б) между электронами и ядром в атоме; в) между Солнцем и Землей;
г) между частицами вещества Земли и нейтрино, порожденными Солнцем;
д) между кварками внутри адрона?
Рассмотрите взаимодействие между двумя протонами. Найдите отношение силы электромагнитной к силе гравитационной.
По современным представлениям ядро атома может содержать несколько положительно заряженных частиц - протонов. Почему же многие ядра устойчивы, несмотря на действие силы отталкивания одноименно заряженных частиц?
Назовите поле, квантами которого являются: а) гравитоны; б) фотоны; в) пионы; г) промежуточные бозоны.
При каких температурах среды становятся неразличимыми: а) все виды взаимодействий; б) ядерное и электрослабое; в) слабое и электромагнитное?
Известно, что из законов квантовой механики и ряда принципов симметрии могут быть получены как следствие законы сохранения. Назовите принципы симметрии, которые соответствуют: а) закону сохранения импульса; б) закону сохранения энергии; в) закону сохранения момента импульса.
17. Приведите примеры открытия нарушения известных симметрии.
18. Какой принцип симметрии был отвергнут учеными после открытия за- кона всемирного тяготения?