5. Понятие взаимодействия и силы. Физический и философский взгляды на эти понятия.

СИЛА, понятие физики, имеющее философское значение, в современном понимании выражает взаимодействие объектов.

В древнегреческой натурфилософии понятию силы придавалось значение первопричины движения всех вещей и явлений природы, причем природа самой силы трактовалась или как материальное явление (Фалес, Анаксимандр, Демокрит и др.), или как идеальная (Платон и др.). Аристотель своеобразно совмещал оба направления. В позднейшей натурфилософии идея нематериальной силы приняла форму представлений о бесчисленных «других» силах, приводящих в движение материю (сила сродства, «жизненные силы», «психические силы» и т. д.).

Научное содержание понятия «сила» получило развитие гл. обр. в экспериментальной физике (в работах Архимеда, Леонардо да Винчи, Стевина, Галилея, Декарта, Гюйгенса и др.). Качественное и количественное определение понятий силы и массы впервые с объяснением дал Ньютон. Он положил их в основу своей механики. Понимание силы как причины движения остается незыблемым вплоть до сер. XIX в.

Радикальная переоценка содержания понятия «сила» связана с философским осмыслением прежде всего закона инерции и закона сохранения и превращения энергии: поскольку инерциальные движения тел происходят без участия силы, фактор силы уже нельзя считать причиной движения; законы сохранения показали способность материального движения переходить из одной формы в др., не исчезая и не появляясь из ничего. Отсюда следовало, что движение является всеобщим, вечным и неуничтожимым свойством материи и потому не сила, а движение — первичное понятие. Сужение философского значения понятия силы и — главное — трудности его применения к области некоторых физических явлений вызвали сомнение относительно его объективного содержания. Это послужило поводом для попыток изложения физики без использования понятия силы. Однако в к. XIX в. понятие силы вновь появляется в физике, но теперь уже в иной математической форме. Исходной точкой современных представлений о силе является понятие взаимодействия. Появление силы непосредственно определяется взаимодействием, а именно, наличием противодействия вследствие изменения состояния взаимодействующих объектов.

С точки зрения современной физики всё, что происходит в природе, можно свести к четырём фундаментальным взаимодействиям (силам), которые являются источником всех изменений. Гравитация (сила тяготения) первой из четырёх сил стала предметом исследования науки, после появления в "Ч11 в. теории гравитации И. Ньютона (закон всемирного тяготения). Гравитация, по Ньютону, действует на любых расстояниях (дальнодействие), например, приливы океана вызваны притяжением Луны, сила тяготения зависит от массы и удалённости от источника силы. Гравитация удерживает планеты на орбитах, звёзды в галактиках, притягивает к Земле, вызывает вращение Земли вокруг Солнца. Каждая частица Вселенной испытьвает действие гравитации и сама является источником этой силы притяжения. Несмотря на всеобщий характер гравитационного взаимодействия, это самая слабая сила природы, она не проявляется в мире микрочастиц, незаметна на уровне макроскопических объектов. Возрастает же гравитация по мере образования всё больших скоплений вещества.

В 1915 году А. Эйнштейн построил новую теорию гравитации - общую теорию относительности. По Ньютону гравитационное взаимодействие передаегся через пространство мгновенно, согласно же теории относительности, невозможно распространение сигнала со скоростью выше скорости света. Эйнштейн рассматривал гравитацию как поле, в котором могут зарождаться волны. По Эйншгейну тяготение связано не с массой, а с геометрией пространства, пространство испьгиявает воздействия масс, следовательно, если изменяется гравитационное поле, то изменяется и пространство (искривляется). Геометрия мира должна быть подобной геометрии искривлённых поверхностей. Гравитация влияет и на течение времени (Гейзенберг 1989: 72-73, Дэвис 1989: 83).

Сегодня считается, что сила гравитации между двумя частицами материи переносится безмассовой частицей со спином 2, которая называется гравигоном. Гравитоны распростраюпотся в виде волн ("окинг 1990: 65-66).

Между электрически заряженными частицами (электроны, кварки, ионы) действуют электромагнитные силы. Электромагнитные взаимодействия намного сильнее гравитационных и проявляются как притяжение (разные заряды) или отталкивание (одинаковые заряды). Если количество положительных и отрицательных зарядов одинаково, то они компенсируют друг друга. Электромагнитное притяжение есть результат обмена виртуальных частиц со спином 1, которые называются фотонами ("окинг 1990: 66-67).

Третий тип взаимодействия называется слабым взаимодействием (сильнее гравитации, слабее электромагнитного и ядерного взаимодействий). Слабое взаимодействие прекращается на расстоянии большем 10 " см от источника и не влияет на макроскопические объекты, действуя между всеми субатомными частицами. Физики долго не понимали, откуда берутся из ядер атомов частицы, которых там нет (из нейтрона - протон, электрон и нейтрино)? Превращение одних частиц в другие - главное проявление этого взаимодействия. При взрывах и коллапсах звёзд испускается огромное количество нейтрино. Слабовзаимодействующие нейтрино тем не менее разрывают наружные слои звезды и образуются клочья облаков расширяющегося газа. Слабое взаимодействие проявляется при испускании некоторыми атомами ядер гелия и электронов (радиоактивность) (А. Беккерель, Э. Резерфорд).

В 1967 году А. Салам и С. Вайнберг предложили объединить электромагнитное и слабое взаимодействия: кроме фотона существуют ещё три частицы со спином 1, так называемые тяжёлые векторные бозоны (%+, %- и "~), которые и переносят слабое взаимодействие. В основе гипотезы Вайнберга-Салама лежала идея о спонтанном нарушении симметрии; частицы, разные при низких энергиях, при высоких энергиях оказываются одной частицей в разных состояниях.

Гипотеза предсказывала, что при высоких энергиях фотоны и бозоны ведут себя одинаково, а при низких энергиях в обычных ситуациях эта симметрия нарушается. Через десять лет их гипотеза подтвердилась экспериментально, физикам была присуждена Нобелевская премия (Ва$Ыберг 1981: 133, Дэвис 1989: 128-136, "окинг 1990: 67-68).

Сильное ядерное взаимодействие удерживает кварки внутри адронов, протоны и нейтроны внутри атомного ядра, действует на расстоянии не больше 10 'м см. Переносчиком ядерных сил считается ещё одна частица со спином 1, которая называется глюон (англ. клей). Сильное взаимодействие обладает свойством ограничения, удерживания в связном состоянии: кварки не могут существовать сами по себе, так как 99% энергии-массы кварка - это энергия связи. Сильное взаимодействие является источником огромной энергии, например энергии Солнца, энергии водородной бомбы. На мощных ускорителях, при высоких энергиях сильное взаимодействие ослабевает и кварки, глюоны ведут себя почти как свободные частицы. При столкновениях протона и антипротона высокой энергии рождаются кварки, "струи" треков которых можно наблюдать ("окинг 1990: 68-69).