21. Общая характеристика физического взаимодействия

Одно из определений физики как науки таково: физика является учением о различных типах взаимодействий. Взаимодействие является основной причиной движения материи. Оно присуще всем материальным объектам, т. е. можно сделать вывод, что взаимодействие универсально, как и движение.

Основными характеристиками движения являются энергия и импульс, и именно энергией и импульсом обмениваются объекты при взаимодействии. В классической механике взаимодействие определяется силой, с которой один материальный объект действует на другой. В более общем случае взаимодействие характеризуется потенциальной энергией.

О том, как осуществляется взаимодействие между объектами, существует две концепции: близкодействия и дальнодействия. Первая теория говорит о том, что взаимодействие материальных объектов передается через пустое пространство мгновенно. Эта теория служила основой классической физики и существовала до конца XIX в. В настоящее время экспериментально подтверждена концепция дальнодействия: взаимодействия передаются посредством физических полей с конечной скоростью, не превышающей скорости света в вакууме.

Взаимодействия материальных объектов и систем, наблюдаемые нами в окружающем мире, весьма разнообразны. Но в общем случае их можно отнести к четырем видам фундаментальных взаимодействий: гравитационному, электромагнитному, слабому и сильному. Гравитационное взаимодействие проявляется во взаимном притяжении любых материальных объектов, имеющих массу. Электромагнитное взаимодействие обусловлено электрическими зарядами и передается посредством электрического и магнитного полей. Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре и определяется ядерными силами. Слабое взаимодействие обусловливает большинство распадов элементарных частиц, взаимодействие нейтрино с веществом и другие процессы.

Для количественной характеристики фундаментальных взаимодействий обычно используют безразмерную константу взаимодействия, определяющую величину взаимодействия и радиус действия. Для гравитационного взаимодействия эта константа равна 6 × 10^-39, а радиус его действия бесконечен. Для электромагнитного взаимодействия значение константы составляет 1/137, а радиус его действия также неограничен. Константа сильного взаимодействия равна 1, оно проявляется в пределах размеров ядра. Для слабого взаимодействия постоянная равна 10^-14, а радиус взаимодействия – порядка 10^-18.

Фундаментальные взаимодействия характеризуются соответствующими константами, которые в зависимости от систем координат могут иметь различные значения. Обычно используются следующие значения этих констант. Гравитационное взаимодействие характеризуется постоянной Кавендиша G_m = 6,7 ×10^-11н × м²/кг². Слабое взаимодействие – универсальной постоянной G_m = 1,4 × 10^-62Дж × м³. Электромагнитное и сильное взаимодействия обычно характеризуются безразмерными постоянными. Первое – g_e=1/137 – так называемая «постоянная тонкой структуры»; второе – g₅= 8 × 10^-2.

Создание единой теории фундаментальных взаимодействий – одна из важнейших задач современного естествознания. Предполагается, что при относительно больших энергиях взаимодействия частиц все четыре фундаментальных взаимодействия характеризуются единой силой.