6. Фундаментальные взаимодействия

6.1. Концепции близкодействия и дальнодействия

Взаимодействие– это воздействие тел или частиц друг на друга, приводящее к изменению их первоначального состояния (движения, положения).

В классической механике взаимодействие характеризуется силой. Более общей характеристикой взаимодействия является потенциальная энергия.

Первоначально имело место представление о том, что взаимодействие может осуществляться непосредственно через пустое пространство, которое не принимает участие в передаче взаимодействия, причем эта передача происходит мгновенно. В этом состояла концепция дальнодействия.

Однако, после открытия и исследования электромагнитного поля эти представления были признаны несостоятельными. Возникла новая концепция – концепция близкодействия, согласно которой взаимодействие между телами осуществляется посредствам тех или иных полей, непрерывно распределенных в пространстве. После появления квантовой теории поля эта концепция претерпела изменения: любое поле не непрерывно, а имеет дискретную структуру.

Каждому полю соответствуют определенные частицы.

6.2 Виды фундаментальных взаимодействий

К настоящему времени известны 4 вида фундаментальных взаимодействий:

Виды взаимодействия	Константа взаимодействия	Радиус действия м
Сильное	1	Около 10-15
Электромагнитное	1/137	∞
Слабое	10-14	Около 10-18
Гравитационное	6·10-39	∞

Гравитационное взаимодействие характерно для всех материальных объектов вне зависимости от их природы. Оно заключается во взаимном притяжении тел и определяется законом всемирного тяготения (см. п.4.2).

Электромагнитное взаимодействие связано с электрическими и магнитными полями. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное поле – при их движении. В природе существует как положительные, так и отрицательное заряды, что и определяет характер электромагнитного взаимодействия (притяжение или отталкивание). При движении зарядов следует учитывать еще и направление их перемещения.

Электромагнитное взаимодействие описывается законами электростатики и электродинамики: законами Кулона, Ампера и др. Его наиболее общее описание дает электромагнитная теория Максвелла, основанная на фундаментальных уравнениях, связывающих электрическое и магнитное поля.

Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре и определяет ядерные силы. Предполагается, что ядерные силы возникают при обмене между нуклонами частицами – глюонами.

Наконец, слабое взаимодействие описывает некоторые виды ядерных процессов. Оно короткодействующее и характеризует все виды бета-превращений, взаимодействие нейтронов с веществом.

6.3. Понятие физического поля

Все взаимодействия осуществляются посредством особой формой материи – физическим полем. Оно может быть векторным или скалярным. Физическое поле связывает тела в единые системы и передает взаимодействие с конечной скоростью (в вакууме – со скоростью света). Поле, проявляющее себя в действии сил на различные тела, называют силовым полем. Каждое тело создает вокруг себя поле. Силовому полю как одной из форм материи присущи ее свойства: пространственно-временная протяженность, инертность, движение, энергия, импульс. Не изменяющееся со временем силовое поле называют стационарным. Если силы, действующие на тело, во всех точках одинаковы по модулю и направлению (), поле называют однородным.

Силовое поле, в котором работа силы поля А зависит только от начального и конечного положений тела и не зависит от вида его траектории, называется потенциальным (консервативным).

Никаких силовых взаимодействий, кроме полевых, современная физика не признает. Взаимодействия, возникающие при соприкосновении тел, являются частным случаем полевого взаимодействия. Так, вес тела, силы упругости и трения создаются электромагнитными полями. Они быстро убывают с расстоянием и проявляются, как правило, на расстояниях менее 10^-9м. Поэтому-то такие полевые взаимодействия и воспринимаются макроскопически как «взаимодействия соприкосновения».