8.2. Виды фундаментальных взаимодействий

В конце XVII века осознали то, что причиной всякого движения и изменения в природе является сила, т.е. взаимодействие между телами. Кроме того, установили, что материальное тело может двигаться с постоянной скоростью ( =const) в заданном направлении, без какого бы то ни было внешнего воздействия. Отклонение от равномерного прямолинейного движения требует воздействие силы. Например, причины движения Земли вокруг Солнца связаны с небольшим вращательным моментом протозвезды, а отклонение Земли от равномерного прямолинейного движения, объясняется солнечным притяжением.

На первый взгляд кажется, что силы в природе многочисленны и разнообразны: напор ветра, напор потока воды на препятствия, гидростатическое давление воздуха или воды, мощный выброс взрывающихся химических веществ, тянущее усилие растянутого резинового жгута, мускульная сила человека, вес тяжелых предметов и т.д. Одни силы действуют непосредственно при контакте с телом, другие, например гравитация, действуют на расстоянии через гравитационное поле.

Однако анализ показывает, что все силы природы можно свести к четырем фундаментальным взаимодействиям: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Именно эти взаимодействия отвечают за все в мире, именно они являются источником всех движений и изменений. Каждое из четырех фундаментальных взаимодействий имеет свои отличия и в то же время сходство с тремя остальными. Эти четыре типа взаимодействия имеют относительную интенсивность:

10⁰; 10^-2; 10^-10; 10^-38.

Изучение свойств четырех фундаментальных взаимодействий составляет основную задачу физики и естествознания в целом.

Вопросы для самоконтроля

1. Что является причиной всякого движения и изменения в природе?

2. С какой скоростью будет двигаться тело, если отсутствует внешнее воздействие?

3. Чем объясняется отклонение Земли от равномерного прямолинейного движения?

4. Какие фундаментальные взаимодействия установлены наукой?

5. Чему равна интенсивность сильного взаимодействия?

6. Чему равна интенсивность электромагнитного взаимодействия?

7. Чему равна интенсивность слабого взаимодействия?

8. Чему равна интенсивность гравитационного взаимодействия?

8.3. Сильное взаимодействие

В 1911 году Резерфорд экспериментально установил, что в центральной части атома находится ядро. Ядро состоит из протонов и нейтронов. Между положительно заряженными протонами существуют электростатические силы отталкивания. Однако, какая – то сила удерживает протоны в ядре. Так появилось представление о существовании сильного взаимодействия в ядре атомов между нуклонами. Сильное взаимодействие существенно превосходит все остальные фундаментальные взаимодействия, но оно не может проявляться в макроскопических телах, т.к. является короткодействующим на расстоянии порядка 10^-13 см. Сильное ядерное взаимодействие препятствует распаду атомных ядер. С этим типом взаимодействия связана энергия, выделяемая Солнцем и звездами. Внутри протонов и нейтронов также существует сильное взаимодействие между кварками.

Вследствие своей большой величины сильное взаимодействие является источником огромной энергии. В недрах Солнца и звезд протекают термоядерные реакции, превращение водорода в гелий. Примером являются термоядерные водородные бомбы.

Объяснить природу сильного взаимодействия помогла кварковая теория адронов, предложенная в 1967 году американскими физиками. В этой теории нейтроны и протоны построены из трех кварков. Когда протон «прилипает» к нейтрону или другому протону, во взаимодействии участвуют шесть кварков, каждый из которых взаимодействует со всеми остальными. Таким образом, удалось объяснить природу сильного взаимодействия, на основе взаимодействия кварков.

Сильное взаимодействие определяет процессы, происходящие с барионами, пионами и каонами, а также процессы рождения и распада мезонов и гиперонов. Сильное взаимодействие характеризуется безразмерной константой Ферми: β=f²/ћּc≈1, где постоянная f имеет размерность электрического заряда. Процессы, в которых проявляется сильное взаимодействие, называются быстрыми, и имеют характерное время, так называемое ядерное время τ_яд. Ядерное время сравнимо с комптоновской длиной волны нуклона: λ_к=h/m_pּc, при его делении на скорость света: τ_яд= λ_к/с. Расчеты дают для ядерного времени следующие значения: 10^-23 – 10^-22с. В качестве относительной интенсивности сильного взаимодействия берут единицу (1) для сравнения с интенсивностями других типов взаимодействий.