3. Фундаментальные взаимодействия

Взаимодействие – категория, отражающая процессы воздействия объектов друг на друга, их взаимную обусловленность и порождение одного объекта другим. Взаимодействие – объективная и универсальная форма движения и развития, определяет существование и организацию любой материальной системы.

Все явления макромира обусловлены двумя видами взаимодействия: гравитационным и электромагнитным. Эти взаимодействия способны к распространению на очень большие расстояния (R → ∞), поэтому существенны и в астрономических масштабах. При этом достаточно слабое для тел макромира гравитационное взаимодействие оказывается определяющим в галактических масштабах, где взаимодействуют чрезвычайно массивные объекты. Структура мегамира формируется, по-видимому, главным образом именно гравитационным взаимодействием. Электромагнитное взаимодействие, реализующееся между частицами, несущими электрический заряд, обуславливает и устойчивость атома, и атомно-молекулярную структуру вещества, т.е. существенно для явлений микромира. Гравитационное взаимодействие между микрообъектами пренебрежимо мало.

Проникновение в мир элементарных частиц в первой половине ХХ в. привело к открытию двух новых типов взаимодействия, проявляющихся только на очень малых расстояниях и получивших названия «сильное» и «слабое».

За формирование и устойчивость атомного ядра из нуклонов (протонов ⁺p и нейтронов ⁰n ) ответственно сильное взаимодействие. Оно не зависит от электрического заряда и гораздо интенсивнее электромагнитного, поэтому положительные протоны удерживаются друг около друга несмотря на электрическое отталкивание, тоже существенное на таком малом расстоянии.

Слабое взаимодействие проявляется не в притяжении или отталкивании между частицами, а в способности к взаимным превращениям элементарных частиц, в частности нуклонов:

(4.2)

Нуклоны превращаются друг в друга с образованием электронов или позитронов (положительных электронов), а также антинейтрино () или нейтрино (). Электроны и нейтрино, участвующие в слабом взаимодействии, относятся к классу лептонов. Частицы, способные и к сильному, и к слабому взаимодействию (например, нуклоны), относятся к группе адронов.

Итак, нашу Вселенную формируют взаимодействия четырех видов: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. От радиуса их распространения зависит масштаб явлений, в которых они играют основную роль. Гравитация ответственна за явления астрономического масштаба и проявляется в макромире, электромагнитное взаимодействие существенно во многих явления макро- и микромира, сильное и слабое - в явлениях ядерного масштаба, в мире элементарных частиц.

4. Развитие представлений о физических полях

Любое взаимодействие проявляется при наличии некоторого расстояния между объектами. Механизм реализации взаимодействия долгое время оставался неясным и описывался рядом противоречивых теорий.

Согласно теории взаимодействия, созданной в первой половине XVII в. Декартом, действие одного тела на другое передается с конечной скоростью путем последовательных столкновений мельчайших невидимых частиц материи, заполняющих все пространство. Данная теория опирается на концепцию близкодействия, то есть передачу воздействия от одного объекта к другому через промежуточную среду с конечной скоростью. Однако до начала XIX в. в физике господствовала концепция дальнодействия, предполагающая мгновенность, то есть бесконечно большую скорость передачи воздействия одного тела на другое, без каких либо материальных посредников. Таким образом, в физике рассматривались тела, взаимодействующие в абсолютно пустом пространстве на произвольном расстоянии. Исследование оптических явлений в начале XIX века привело к объяснению явлений интерференции и дифракции света на основе волновой теории. Но в отличие от звука свет не является упругой волной, он распространяется и в безвоздушном пространстве. Колебания какой среды в таком случае связаны со световой волной? Выдвинутая еще Декартом в XVII в. гипотеза светоносного эфира как тончайшей всепроникающей жидкости, заполняющей все пространство, наталкивается на непреодолимые противоречия. Прежде всего, световые волны поперечны, следовательно, эфир обладает упругими свойствами твердого тела, несмотря на невесомость и безграничную протяженность. Кроме того, эксперименты по определению скорости света и выяснению увлекаемости эфира движущимися телами, проведенные Физо (1819 – 1886), Майкельсоном (1852 – 1931), Морли (1838 – 1923), давали противоречивые результаты. Гипотеза эфира оказалась несостоятельной и была отвергнута с созданием специальной теорией относительности. Но именно представление о всепроникающем эфире отражало принятие концепции близкодействия – передачи взаимодействия от одной точки к другой через специфическую непрерывную среду. Во второй половине XIX в. изучение электромагнитных явлений привело М. Фарадея и Д.К. Максвелла к выработке понятия поля. К началу XX в. физика изучает материю в двух ее проявлениях: вещество и поле. При этом отвергаются как концепция дальнодействия, так и гипотеза эфира.

Физическое поле – форма материи, связывающая частицы вещества в единые системы и передающая с конечной скоростью действие одних частиц на другие. Взаимодействие тел передается от точки к точке поля с конечной скоростью, равной скорости распространения поля. Очевидно, представления о поле связаны с концепцией близкодействия и непрерывной среды. Каждой точке непрерывного пространства соответствует определенное значение величины, характеризующей поле. Таким образом, параметры поля описываются непрерывными функциями координат и времени. Эти параметры позволяют определить силы, которые действуют на частицы, находящиеся в поле, и их потенциальную энергию.

Вещество и поле являются равноправными видами материи, характеризуются массой, энергией, импульсом. Их специфичность в макромире проявляется в том, что частицам вещества свойственны дискретность, пространственная ограниченность, конечность числа степеней свободы, взаимная непроницаемость молекул и атомов, в то время как полю свойственна бесконечность и непрерывность распространения в пространстве, бесконечное число степеней свободы и возможность сосуществования в одной точке пространства нескольких полей.

В макромире рассматриваются гравитационное и электромагнитное поля, позволяющие описать механизм соответствующих взаимодействий на макроуровне. Современной теорией гравитации является общая теория относительности. Классическая теория электромагнетизма резюмируется в семи уравнениях Максвелла, позволяющих объяснить все известные электрические и магнитные явления макромира. Следует подчеркнуть, что форма математических соотношений, выражающих поведение поля, для каждого поля своя, и единые подходы для описания этих полей пока не найдены.

Разработанный для описания непрерывных полей аппарат применим лишь для макромира. В микромире физические поля характеризуются дискретностью. Описание взаимодействий в микромире дается квантовой теорией поля.