3.3.8. Современная физическая картина мира

Впервые физическую картину мира (ФКМ) представил Сухонос С. в 1981 г., которая приведена на рис. 16.

Посредством шкалирования он выяснил, что размеры электронов, атомов, человека, звезд и галактик отличаются друг от друга на 10 порядков. Аналогично отличаются и размеры ядер атомов, клеток, звезд и т.д. Это означает, что в распределении различных уровней мироздания есть некоторая упорядоченность.

Рис. 16. Современная физическая картина мира

Все существующие силы в природе определяются тем или иным типом взаимодействий. И, несмотря на кажущееся их множество, до сих пор обнаружено лишь четыре вида фундаментальных взаимодействий: гравитационные, слабые, электромагнитные, сильные (ядерные).

Таблица 7

Характеристики основных физических взаимодействий

Тип взаимодействия	Источник взаимодействия	Относительная интенсивность взаимодействия	Радиус действия силы
Гравитационное	Масса	~10-38	Сколь угодно далеко
Слабое	Все элементарные частицы	~ 10-15	< 10-18 м
Электромагнитное	Электрические заряды	~ 10-2	Сколь угодно далеко
Ядерное (сильное)	Адроны (протоны, нейтроны, мезоны)	1	~ 10-15м

В связи с этим вся шкала мироздания разделена на три равные зоны в соответствии с тремя (из четырех) типами физических взаимодействий. Зона слабых взаимодействий определяет все процессы и явления, происходящие в микромире, зона электромагнитных взаимодействий – в макромире и зона гравитационных взаимодействий – в мегамире (сильные взаимодействия – только в зоне ядер атомов).

Гравитационное взаимодействие (открыто в XVII в.) характерно для всех материальных объектов, вне зависимости от их природы. Оно заключается во взаимном притяжении тел и определяется фундаментальным законом всемирного тяготения: между двумя точечными телами действует сила притяжения, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними. Гравитационным взаимодействием определяется падение тел в поле сил тяготения Земли. Законом всемирного тяготения описывается движение планет Солнечной системы, а также других макрообъектов. Гравитационные силы действуют на любые массы и порождаются массой, действуя на расстоянии.

Электромагнитное взаимодействие (открыто в XIX в.) связано с электрическими и магнитными полями, определяет структуру и поведение атомов, отвечает за связи между молекулами (то есть определяет химические и биологические процессы). Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное поле – при их движении. Взаимодействие между атомами и молекулами имеет преимущественно электромагнитную природу. Таким взаимодействием объясняется образование различных агрегатных состояний вещества: твердого, жидкого и газообразного. Например, между молекулами вещества в твердом состоянии взаимодействие в виде притяжения проявляется гораздо сильнее, чем между теми же молекулами в газообразном состоянии. Различные агрегатные состояния вещества, явление трения, упругие и другие свойства вещества определяются преимущественно силами межмолекулярного взаимодействия, которое по своей природе является электромагнитным. Электромагнитные силы действуют на заряды и токи, и их источниками являются заряды и токи. Поскольку атомы состоят из заряженных электронов и протонов, то силы, действующие между атомами, по существу также относятся к электромагнитным. Более того, обычное вещество построено из атомов, и поэтому большинство сил, с которыми нам приходится иметь дело в повседневной жизни, являются электромагнитными. Это и реакция растянутой или сжатой пружины, и другие силы, возникающие при соприкосновении тел. Электромагнитное взаимодействие описывается фундаментальными законами электростатики и электродинамики: законом Кулона, законом Ампера и др. Его наиболее общее описание дает электромагнитная теория Максвелла, основанная на фундаментальных уравнениях, связывающих электрическое и магнитное поля.

Сильное взаимодействие (открыто в середине XX в.) обеспечивает связь нуклонов в ядре и определяет ядерные силы. Предполагается, что ядерные силы возникают при обмене между нуклонами виртуальными частицами – мезонами.

Сильное взаимодействие отвечает за устойчивость ядер и распространяется только в пределах размеров ядра. Чем сильнее взаимодействуют нуклоны в ядре, тем оно устойчивее, тем больше его энергия связи. Энергия связи определяется работой, которую необходимо совершить, чтобы разделить нуклоны и удалить их друг от друга на такие расстояния, при которых взаимодействие становится равным нулю. С возрастанием размера ядра энергия связи уменьшается. Так, ядра элементов, находящихся в конце таблицы Менделеева, неустойчивы и могут распадаться. Такой процесс часто называется радиоактивным распадом. Ядерные и слабые силы имеют малый радиус действия, они не проявляются на расстоянии свыше 10^-14 м. Именно ядерные силы скрепляют ядро, несмотря на сильное электростатическое отталкивание между протонами.

Слабое взаимодействие описывает некоторые виды ядерных процессов. Оно короткодействующее и характеризует все виды бета-превращений, например такие, как превращение нейтронов в протоны. Основные свойства слабого взаимодействия стали известны еще в 1931 г. благодаря, преимущественно, работам Э. Ферми.

Обычно для количественного анализа перечисленных взаимодействий используют две характеристики: безразмерную константу взаимодействия, определяющую величину взаимодействия, и радиус действия.

В современной ФКМ выделена также «зона жизни», которая находится в центре всего мироздания, где человеку отведена центральная роль.

Здесь можно видеть, что в создании жизни участвует все мироздание: объекты меньшего размера, чем живые существа, составляют их внутреннюю структуру, а большего – создают условия необходимые для их существования.

В таком представлении ФКМ хорошо просматривается проблема «великого объединения». Способность элементарных частиц к взаимным превращениям с соблюдением законов сохранения позволяет предполагать наличие единого общего поля, различными «квантовыми состояниями» которого и являются эти частицы. В последнее десятилетие достигнуты успехи в создании единой теории слабых и электромагнитных взаимодействий (теория электрослабого взаимодействия). Новое поколение физиков надеется, что объединенная теория объяснит сильное, слабое и гравитационное взаимодействия с позиций единства мироздания.