6. Развитие представлений о взаимодействии

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ

1. Во времена Аристотеля взаимодействие представляли себе как одно­стороннее воздействие движущего на движимое, причем воздействие пере­дается при непосредственном контакте (первоначальная, наивная форма кон­цепции близкодействия).

2. В классической механике из фундаментальных взаимодействий было известно только гравитационное взаимодействие, которое описывается за­коном всемирного тяготения

F = G ·m_{1 ·} m₂ ,

r₂

где F — сила взаимодействия, G — универсальная гравитационная постоян­ная, равная 6,67 · 10^-11 Н · м²/кг², т₁ и т₂ — массы взаимодействующих тел, r — расстояние между ними. Гравитационное взаимодействие передается через пустоту на любые расстояния с бесконечной скоростью (концепция даль­нодействия). Физическая природа других взаимодействий, например сил трения, тепловых, в то время была неизвестной.

6.3. Движение тел в классической механике описывается уравнением

F = та,

где F — сила, т — масса, а — ускорение. Это уравнение известно как второй закон Ньютона

F = dP/dt,,

где Р — импульс, Р = mv. Фактически сила, действующая на то или иное тело, определяется положением этого тела относительно других тел и скоро­стью изменения этого положения. В этом смысле сила является характери­стикой взаимодействия. Сила является сугубо классическим понятием. В квантовой механике этого понятия нет.

4. В большинстве случаев сила подчиняется принципу суперпозиции, когда результирующая сила F, действующая на объект со стороны других тел, равна векторной сумме сил F, действующих на объект со стороны каж­дого тела

F = ∑ F₁

4. В 1830-е годы великий английский физик М. Фарадей выдвинул но­вый подход к природе электрических взаимодействий, который стали назы­вать концепцией близкодействия. В соответствии с этой концепцией тело А, имеющее заряд q_A, создает в пространстве то, что Фарадей назвал электриче­ским полем. Другое тело В, имеющее заряд q_B, «чувствует» это поле в том месте, где оно (тело В) находится. Это проявляется в том, что на тело В дейст­вует сила (сложная формула), где k — коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора единиц измерения, г— расстояние между телами А и В, е_г— единичный вектор в направлении от А к В. То же самое можно сказать и о заряженном теле А, на которое со стороны электрического поля, созданного телом В, действует сила F_A = -F_B. Таким образом, введенное Фарадеем поле является как бы промежуточным звеном, «переносчиком» электрического взаимодействия.

6. В современной научной картине мира рассматриваются четыре фун­даментальных взаимодействия: сильное, слабое, электромагнитное и грави­тационное. Как и в случае с гравитационным полем, существуют объекты (элементарные частицы), являющиеся источниками соответствующего взаи­модействия, и частицы — переносчики взаимодействия. Источниками силь­ного взаимодействия являются адроны (к ним относятся и нуклоны — про­тоны и нейтроны), а сам процесс сильного взаимодействия рассматривается как обмен глюонами. Электромагнитное взаимодействие переносится фото­нами и осуществляется между электрически заряженными телами. Слабое взаимодействие имеет место в ядерных процессах, его участники — все из­вестные элементарные частицы, а частицы, переносящие это взаимодейст­вие, называются промежуточными бозонами. Наконец, гравитационное взаи­модействие имеет место между всеми частицами (телами), а сам процесс взаи­модействия — это обмен гравитонами.

7. Эффективность всех этих взаимодействий определяется массой час­тиц-переносчиков и способностью его зарядов (не только электрических) взаимно компенсироваться. Самое эффективное («сильное») — это сильное взаимодействие, правда, оно быстро уменьшается с расстоянием и на длине ~10^-15 м уже равно нулю. Следующим является электромагнитное взаимо­действие, его радиус действия неограничен, правда, сила уменьшается об­ратно пропорционально квадрату расстояния (закон Кулона). Слабое взаи­модействие во много раз «слабее» электромагнитного и тоже, как сильное, проявляется на очень малых расстояниях (< 10~¹⁶ м). Самое слабое — это гра­витационное взаимодействие.

8. В микромире, в первую очередь в ядрах атомов, преобладает сильное взаимодействие, хотя важную роль играют и слабое, и электромагнитное. В мак­ромире (начиная с атомных масштабов и заканчивая свойствами вещества) глав­ным становится электромагнитное взаимодействие, небольшую роль играет гра­витационное взаимодействие. В мегамире (планетные системы, звезды, галак­тики) определяющим становится гравитационное взаимодействие, лишь в некоторых процессах слабо проявляется электромагнитное взаимодействие.

ПРИМЕРЫ ТЕСТОВЫХ ЗАДАНИЙ

Задание 6.1 (выберите один вариант ответа).

Фундаментальные взаимодействия по величине относительной интенсив­ности (от большей к меньшей) располагаются в следующем порядке:

Варианты ответа:

1. Слабое, гравитационное, сильное, электромагнитное.

2. Электромагнитное, гравитационное, сильное, слабое.

3. Гравитационное, электромагнитное, слабое, сильное.

4. Сильное, электромагнитное, слабое, гравитационное.

Обоснование ответа. В настоящее время известны четыре фундаменталь­ные взаимодействия. Самое интенсивное из них — сильное (или ядерное). Оно связывает нуклоны в ядре и действует на очень малых расстояниях (по­рядка размеров ядра). Примерно в сто раз слабее электромагнитное взаимо­действие, которое имеет характер притяжения или отталкивания между элек­трическими зарядами. Имеет неограниченный радиус действия. Следующим по порядку в сторону уменьшения интенсивности идет слабое взаимодейст­вие, которое, как и сильное, проявляется на очень малых расстояниях. Иг­рает важную роль в термоядерных реакциях. Наконец, самым «слабым» яв­ляется универсальное гравитационное взаимодействие.

Правильным является вариант ответа: 4) сильное, электромагнитное, слабое, гравитационное.

Задание 6.2 (заполните пропуск).

Стабильное вращение планет Солнечной системы вокруг Солнца обеспе­чивается за счет ... взаимодействия.

Варианты ответа:

1. Электромагнитного.

2. Слабого.

3. Гравитационного.

4. Сильного.

Обоснование ответа. В масштабах мегамира определяющим взаимодей­ствием становится гравитационное.

Правильным является вариант ответа: 3) гравитационного.

Задание 6.3 (выберите один вариант ответа).

Взаимодействие, которое имеет универсальный характер, выступает все­гда в виде сил притяжения, является самым слабым на ядерных расстояни­ях, называется ...

Варианты ответа:

1. Гравитационным.

2. Электромагнитным.

3. Слабым.

4. Сильным.

Обоснование ответа. Универсальным, имеющим характер притяжения, самым слабым на ядерных расстояниях является гравитационное взаимо­действие. Следует отметить, что на совсем малых расстояниях (порядка так называемой «планковской длины» 10"³³см) гравитационное взаимодейст­вие по силе «догоняет» все остальные фундаментальные взаимодействия.

Правильным является вариант ответа: 1) гравитационным.

Задание 6.4 (выберите один вариант ответа).

Квантово-полевая модель взаимодействия возникла на основе концепции ...

Варианты ответа:

1. Корпускулярно-волнового дуализма.

2. Дальнодействия.

3. Суперпозиции.

4. Дополнительности.

Обоснование ответа. Название «квантово-полевая модель взаимодейст­вия» возникла в физике, когда стало ясно, что электромагнитные волны (свет) ведут себя в одних экспериментах как волны, а в других — как части­цы, обладающие определенными порциями (квантами) энергии. Электро­магнитное взаимодействие при таком подходе стали интерпретировать как обмен квантами электромагнитного поля. Этим и определяется выбор перво­го варианта ответа на поставленный вопрос.

Правильным является вариант ответа: 1) корпускулярно-волнового дуа­лизма.

Задание 6.5 {выберите несколько вариантов ответа). Фундаментальные взаимодействия характеризуются ...Варианты ответа:

1. Направлением воздействия, энергией.

2. Степенью универсальности, единицей измерения.

3. Радиусом действия, частицей-переносчиком.

4. Константой взаимодействия, временем действия.

Обоснование ответа. Когда классифицируют фундаментальные взаимо­действия, то в первую очередь интересуются их частицами-переносчиками. Сильное взаимодействие переносится глюонами, электромагнитное — фото­нами, слабое — бозонами, а гравитационное — гравитонами. Важной харак­теристикой фундаментальных взаимодействий является радиус действия. Для сильного и слабого взаимодействия этот радиус очень мал, порядка размеров ядра (а для слабого и того меньше). Интенсивности взаимодействий сравнива­ют, указывая их безразмерные константы. Например, для сильного это 14,6, для электромагнитного — 1/137, для слабого — 10~¹⁰, для гравитационного — 1(Г¹⁸. С интенсивностью взаимодействия тесно связано время действия.

Правильными являются варианты ответов: 3) радиусом действия, части­цей-переносчиком; 4) константой взаимодействия, временем действия.

Задание 6.6 (выберите один вариант ответа).

Согласно концепции ... любое взаимодействие между структурами мо­жет быть передано только между соседними точками пространства за конеч­ный промежуток времени.

Варианты ответа:

1. Причинности.

2. Близкодействия.

3. Дальнодействия.

4. Континуальности.

Обоснование ответа. Во времена Ньютона общепринятой была концеп­ция дальнодействия, в соответствии с которой взаимодействие передается мгновенно через пустое пространство. Нужно признать, что сам Ньютон скеп­тически относился к этой концепции, считая ее недостаточно физичной. В на­чале XIX в. великий английский физик М. Фарадей реанимировал другую концепцию взаимодействия — близкодействие. В соответствии с этой кон­цепцией взаимодействие передается от одного взаимодействующего объекта к другому с помощью «посредника» — физического поля. При этом, как ста­ло ясно впоследствии, это взаимодействие передается с конечной скоростью, не превышающей скорости света.

Правильным является вариант ответа: 2) близкодействие.

Задание 6.7 (выберите один вариант ответа).

За процесс излучения фотонов, за связь атомных электронов с ядром и связь атомов в молекулах ответственно ... взаимодействие.

Варианты ответа:

1. Гравитационное.

2. Слабое.

3. Сильное.

4. Электромагнитное.

Обоснование ответа. Правильный ответ на этот вопрос находится в п. 6.8 основных сведений: в макромире определяющим является электромагнит­ное взаимодействие.

Правильным является вариант ответа: 4) электромагнитное.

Задание 6.8 (выберите несколько вариантов ответа). Гравитационное взаимодействие ...

Варианты ответа:

J. В меладжире является определяющим.

2. Переносится фотонами.

3. Не действует в макромире.

4. Свойственно всем материальным объектам.

Обоснование ответа. Гравитационное взаимодействие является опре­деляющим в мегамире, однако оно свойственно всем материальным объек­там, поэтому проявляется и в макромире. Переносится гравитационное взаимодействие не фотонами, а гравитонами (гипотетическими элементар­ными частицами).

Правильными являются варианты ответа: 1) в мегамире является опре­деляющим; 4) свойственно всем материальным объектам.

II.