5.2 Связи между объектами. Типы физических взаимодействий.

Любой объект с какими-то объектами практически не взаимодействует, а с какими-то взаимодействует.

Из наличия отношения между объектами ещё не вытекает, что они воздействуют друг на друга. Что касается взаимодействия, то оно всегда вызывает определенные воздействия объектов друг на друга.

В то же время не любое воздействие влечет за собой взаимодействие объектов, ибо некоторые воздействия носят несимметричный характер. Рассмотрим временную связь между какими-либо явлениями. С одной стороны, эта связь может выступать как простое следование во времени причинно не связанных событий (например, восход Луны и последующее выпадение метеорита). Между этими событиями существует только чистое отношение, «констелляция»:

0- - - - - - -0.

С другой стороны, временная связь может выступать как причинно-следственная связь, как «детерминация». Например, восход Луны и последующий прилив в океане. В этом случае одно событие воздействует на другое: 0 0.

Е стественно считать, что для временных связей не существует симметричных взаимодействий типа 0 0

Ведь в общем случае будущее событие не оказывает непосредственное воздействие на событие в прошлом.

Каким основным отличительным свойством наделены взаимодействия? Взаимодействия (независимо от их типа) отличаются от других материальных отношений, прежде всего, тем, что они характеризуют обмен веществом, энергией или информацией.¹ Чем больше порции энергии или информации, которыми обмениваются взаимодействующие объекты, тем сильнее, существеннее взаимодействие.

Итак, отношения (в общем случае) не затрагивают внутреннюю природу соотнесенных объектов, а взаимодействия могут существенно изменить её.²

Как классифицируются взаимодействия? Прежде всего, они выступают как особый подкласс отношений. Поэтому в ряде задач взаимодействия можно рассматривать вне их специфики - просто как материальные отношения. В этом случае те классификационные формы, которые характеризуют отношения вообще, характеризуют и взаимодействия. Это значит, что взаимодействия могут описываться по принципу транзитивности, симметричности, рефлексивности, модальности и т.д. Так, гравитационное взаимодействие рефлексивно, симметрично и т.д. (Более подробно см. Суждения об отношениях*).

Но в этих описаниях взаимодействие ещё не выступает как особый вид материального отношения. Чтобы взаимодействие предстало в своей специфике, необходимо выявить его взаимно опосредующий и обменный характер.

Что касается типологии взаимодействий, то можно прежде всего выделить такие их обширные классы, как физические, биологические, социокультурные.

В дальнейшем будут рассмотрены взаимодействия, играющие наиболее существенную роль для биологических или социальных образований. А сейчас остановимся подробнее на фундаментальных физических взаимодействиях.

Их принято подразделять на четыре класса - «сильные» (или ядерные), электромагнитные, «слабые» и гравитационные. Если рассматривать в отдельности 2 сильных (ядерное и сверхсильное) и 2 слабых взаимодействия, возможность существования которых обсуждается, то получится 6 видов взаимодействий.

Каждому классу физических взаимодействий соответствует особое поле и кванты этого поля¹. Силы оказываются эквивалентными родственным частицам.

Вначале опишем «сильные» взаимодействия (среди них можно выделить «сверхсильные» взаимодействия). Они существуют между тяжелыми элементарными частицами барионами - нуклонами (N) и гиперонами (Λ, Σ, Ξ, Ώ), с одной стороны, и средними элементарными частицами - мезонами (π, Κ), с другой стороны². Точнее надо сказать так: эти взаимодействия существуют между тяжелыми элементарными частицами и осуществляются посредством указанных мезонов.

Это один из типов так называемых обменных взаимодействий, при которых две частицы связаны друг с другом благодаря третьей частице, которой они непрерывно обмениваются. Каким образом это происходит? Возможна такая картина: протон отдает нейтрону положительный π- мезон и становится нейтроном, а нейтрон становится протоном; затем процесс повторяется, но в обратном направлении. Взаимодействие может происходить и через отрицательный π-мезон: испуская его, нейтрон становится протоном, а получивший отрицательный π-мезон протон переходит в нейтрон, после чего процесс идет в обратном направлении. Итак, протон и нейтрон взаимодействуют друг с другом, непрерывно обмениваясь заряженными π-мезонами, превращаясь друг в друга. Кроме этого, протон и нейтрон взаимодействуют, обмениваясь нейтральными π-мезонами, но при таком процессе они не превращаются друг в друга. Кстати говоря, это единственно возможное взаимодействие протона с протоном и нейтрона с нейтроном.

Именно сильные взаимодействия удерживают протоны и нейтроны внутри ядра, занимающего примерно 10^-15 м и заключающего практически всю атомную массу.

t  10^-23 сек.

R_{действия}  10^-15 м.

На верхней части схемы нуклон «виртуально» испускает пионы, на нижней - поглощает их.

Характерное время совершения процесса - 10^{- 23} сек.

Одной из основных особенностей сильных взаимодействий является их необыкновенно ограниченный радиус действия; они проявляются на очень малом расстоянии, меньшем 10^-15 м. Это расстояние близко по величине к диаметру сильно взаимодействующих частиц (оно равно примерно двум-трем диаметрам нуклона).

Тем не менее, роль сильных взаимодействий в природе очень велика. Именно они, как мы видели, определяют связь нуклонов в атомных ядрах, а также всевозможные ядерные реакции.

Другой важной особенностью сильных взаимодействий является их практическая независимость от заряда частицы. Это означает, что ядерные взаимодействия двух протонов не отличаются от ядерных взаимодействий двух нейтронов (конечно, необходимо ввести поправку на электростатические силы отталкивания, существующие между протонами и отсутствующие между нейтронами; ведь речь идет о сильных взаимодействиях в «чистом виде», не искаженных другими видами взаимодействий).

К особенностям сильных взаимодействий относится также наличие - кроме центральной составляющей силы - таких составляющих сил, которые зависят от взаимного расположения спинов сталкивающихся частиц относительно друг друга и от расположения суммарного спина относительно орбитального момента количества движения.

Сравнительно со слабыми или электромагнитными взаимодействиями, сильным взаимодействиям свойственны большие значения эффективных сечений процессов, а также малые времена жизни частиц (10^-23 - 10^-24 сек.).

С ледующий класс взаимодействий представлен электромагнитными взаимодействиями. В них неразрывно связаны электричество и магнетизм. Электромагнитные взаимодействия осуществляются между всеми заряженными частицами, с одной стороны, и фотонами, с другой стороны. Точнее, электромагнитные взаимодействия происходят между заряженными частицами посредством обмена фотонами*.

В

БЭКМ

лияние электромагнитных взаимодействий на происходящие во Вселенной процессы поистине огромно. Эти взаимодействия ярко проявляются в самых всевозможных явлениях, начиная с атомных масштабов и кончая самыми обширными космическими областями. Электромагнитное взаимодействие определяет структуру атомов и молекул.

И все же электромагнитные взаимодействия не универсальны, так как проявляются только между электрически заряженными частицами.

С электромагнитными взаимодействиями связаны многие механические, все химические процессы и молекулярные явления (упругость, трение, мускульные усилия, поверхностное натяжение, текучесть, капиллярность и т.д.). Они ответственны за сохранение формы твердых макротел и, что особенно важно, они обеспечивают возможность существования живых организмов и биологических процессов.

10^-21 сек.

На схеме приводится пример электромагнитного взаимодействия: электрон виртуально испускает (вверху) и поглощает (внизу) фотоны. Время, в течение которого происходит этот процесс, около 10^-21 сек.

К онстанта связи электромагнитного взаимодействия примерно в 1800 раз меньше константы связи сильного взаимодействия.

Перейдем к слабым взаимодействиям. Последние характерны для фермионов (т.е. для любых элементарных частиц кроме мезонов, гравитонов и фотонов). Благодаря слабым взаимодействиям осуществляются процессы взаимодействия нейтрино с веществом, происходит β - распад ядер, К - захват и т.д.

На схеме приводится пример слабого взаимодействия: нейтрон виртуально испускает и поглощает электрон и антинейтрино. Процесс этот происходит сравнительно медленно - 10^-9 сек.

Вероятности процессов, обусловленных слабыми взаимодействиями, несоизмеримо меньше, чем вероятности процессов, вызванных сильными или электромагнитными взаимодействиями. При энергии около 10² Мэв константа взаимодействия, характеризующая вероятности процессов слабых взаимодействий, равна приблизительно 10^-12.

При слабых взаимодействиях обычно нарушается пространственная и зарядовая четность, странность, а также меняется изотопический спин. Скорее всего, отмеченные нарушения сохранения вызваны именно слабостью этих взаимодействий.

Еще один пример слабых взаимодействий:

С лабые взаимодействия порою становятся очень существенными, хотя обычно они перекрываются другими взаимодействиями, растворяются в сильных или электромагнитных взаимодействиях. К примеру, слабые взаимодействия весьма влиятельны в самом начале термоядерного синтеза в звездах. Кроме того, по некоторым гипотезам большая часть материи во Вселенной представлена нейтринным излучением. Лишь слабость взаимодействия нейтрино с веществом пока скрывает от нас эту материю. Так как сечения взаимодействия нейтрино с веществом весьма малы - около 10^-45 м² для медленных и около 10^-37 см² для быстрых нейтрино, то время жизни, например, для быстрого нейтрино в космическом пространстве около 10²¹ лет. Значит, известная часть Вселенной для них почти прозрачна. Изучение таких частиц может внести ясность во многие запутанные вопросы, связанные с начальным состоянием изученной нами области Вселенной.

П ерейдем к рассмотрению гравитационных взаимодействий. Как известно, способность элементарных частиц к определенному виду взаимодействий связывается с наличием соответствующего заряда, характеризующего эти частицы. Так, агенты ядерных взаимодействий - нуклоны - обладают нуклонным, или, как его ещё называют, барионным зарядом. Различные виды частиц, принимающих участие в электрических взаимодействиях, наделены соответствующими электрическими зарядами и т.д. Все эти заряды не находятся в какой-то определенной зависимости от инерциальной массы.

Гравитационное же взаимодействие в этом отношении совершенно особый вид взаимодействия: его «заряд», которым является гравитационная масса тела m_g, совпадает с инерциальной массой m_и (принцип эквивалентности).

Отсюда такое удивительное свойство этого взаимодействия, как его универсальность. Гравитационное взаимодействие присуще всем без исключения телам и частицам во Вселенной. Негравитационные заряды, характеризующие тела и частицы, могут иметь и нулевые значения. Но гравитационный заряд для любых тел и частиц не может равняться нулю. Более того, гравитационные взаимодействия неотъемлемо присущи всем известным видам и состояниям материи, в том числе и всем физическим полям.

Другой отличительной особенностью гравитационного взаимодействия является невозможность его экранирования (электрические же и магнитные заряды, как показал ещё Фарадей, экранируются железной клеткой).

Наконец, важнейшей особенностью гравитационного воздействия является то, что оно определяет геометрию (метрику) пространства-времени. При гравитационном взаимодействии тела продолжают двигаться по инерции, но в пространстве-времени, геометрические свойства которого искривлены гравитацией.

Элементарной частицей (квантом) слабого гравитационного поля является гипотетический гравитон.

В дальнейшем мы ещё раз вернемся к гравитационным взаимодействиям в связи с рассмотрением конкретных космических систем.

Многие выдающиеся ученые прилагают максимальные усилия к тому, чтобы объединить основные виды взаимодействий, объяснив их в единой теории. В 1960-е годы удалось создать единую теорию электромагнитного и слабого взаимодействий (было введено электрослабое взаимодействие).

Четыре описанные вида взаимодействий - сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное - дают неполную картину всех существующих взаимодействий. Более того, они не исчерпывают даже все физические взаимодействия. Не исключено, что в мегамире могут иметь место какие-то пока не известные специфические взаимодействия, которые проявляются только для очень больших материальных образований.

Еще раз сопоставим рассмотренные взаимодействия по их силе. Гравитационное слабее электрического в 10⁴⁰ раз (для микрочастиц)¹. Электромагнитное слабее сильного примерно в две тысячи раз.

Гравитация			С у п е р о б ъ е д и н е н и е
Слабое взаимодействие	Электрослабое взаимодействие	Великое (большое) объединение
Электромагнетизм
Сильное взаимодействие

И в заключение отчасти повторимся: специфические закономерности микромира изучает квантовая механика; мегамир - это поле исследований теории относительности и релятивистской космологии; физическая реальность макромира в значительной мере описывается уточненными законами классической механики и физики.