Фундаментальные взаимодействие в природе

Незнание не довод,

невежество не аргумент.

Спиноза

Окружающий нас мир изменчив. Меняются положение звезд на небе и времена года, меняются характеристики и свойства тел; стареют люди, изнашиваются механизмы. Все движения, все изменения в природе обусловлены взаимодействием тел. Только взаимодействие окружающих тел приводит к ускорению движения, к изменению формы, изменению структурного и химического состава тела.

Для количественной оценки степени взаимодействия тел вводят понятие силы . Современные представление о силе, как о физической величине, сложилось лишь в 17 веке, вслед за признанием законов движения И. Ньютона. Однако механика Ньютона ничего не говорит о природе сил, она только связывает силу и изменение количества движения. Анализ явлений природы показывает, что, несмотря на кажущееся многообразие и различие воздействий, все происходящее в мире можно объяснить существованием четырех типов сил; гравитационных, электромагнитных, ядерных и слабых. Каждое из этих взаимодействий имеет свои особенности и отличия от других, и в то же время каждое из них сходно с тремя остальными.

Гравитация. Гравитационное взаимодействие – это притяжение между абсолютно всеми объектами природы. Ничто во Вселенной не избавлено от гравитации (тяготения). Каждая частица испытывает на себе действие гравитации и каждая частица сама является источником гравитации. Другими словами, каждая частица Вселенной обладает способностью притягивать к себе другие частицы. Количественно свойство гравитационного взаимодействия тела на другие тела оценивается его гравитационной массой m. За единицу массы принята масса международного эталона равная 1 кг точно.

Истинная роль гравитации, как универсальной силы природы, в полной мере стала осознаваться только после открытия в 1687 году И. Ньютоном закона всемирного тяготения. Согласно этому закону сила притяжения F между двумя точечными телами прямо пропорционально массам этих тел m₁ и m₂, и обратно пропорциональна квадрату расстояния r между ними:

,

где Н·м²/кг всемирная гравитационная постоянная. Сила гравитационного взаимодействия очень мала по сравнению с другими силами. Например, сила гравитации между частицами в атоме водорода меньше силы их электромагнитного взаимодействия в 10³⁹ раз. Несмотря на столь незначительную интенсивность гравитационного воздействия, в астрономическом масштабе именно гравитация не позволяет Вселенной развалиться на части: она удерживает планеты на орбитах, «связывает» звезды в галактики.

Ньютоновская теория гравитации вполне применима во всех практических приложениях, в авиации и космонавтике, хорошо описывает и большинство астрономических систем. Однако она непригодна вблизи огромных гравитационных масс, таких как, коллапсирующие нейтронные звезды или черные дыры. Теория Ньютона не смогла, например, объяснить прецессию орбиты Меркурия. Поведение тел в случае больших гравитационных сил, замедление времени на поверхности Земли объясняется в рамках общей теории относительности, созданной А. Эйнштейном, изменившей «корни» классического понимания тяготения. В теории Эйнштейна гравитация не сила, а проявление искривления пространства – времени, и тела движутся не под действием силы, а по траекториям пространства-времени, для прохождения которых требуется наименьшее время. По Эйнштейну гравитация обусловлена просто геометрией пространства – времени.

Электромагнитное взаимодействие. Среди объектов природы встречаются такие, которые кроме гравитационного притяжения, могут притягивать к себе или отталкивать другие тела, причем с силой во много раз превышающей силу гравитации. Таким телам приписывают наличие у них электрического заряда. Т.е., под электрическим зарядом тела понимают величину, характеризующую способность этого тела притягивать или отталкивать другие тела, обладающих такой же способностью.

Дальнейшие эксперименты показали существование двух видов заряда. По предложению Франклина заряд одного вида назвали положительным, а другого отрицательным.

Тела, заряженные одноименными зарядами, отталкиваются, а противоположными притягиваются. Заряд макроскопических тел обусловлен преобладанием в них элементарных электрических зарядов: отрицательно заряженных электронов (е^-) или положительно заряженных протонов (р⁺). Протоны и электроны называют элементарными зарядами, потому что в природе не существует свободных электрически заряженных частиц, обладающих меньшим зарядом. Величины электрического заряда протона q_p и электрон q_e равны между собой, Кулона.

В 1785г. Кулон экспериментально определил величину силы электрического взаимодействия двух точечных зарядов (q₁ и q₂) и зависимость этой силы от расстояния r между зарядами выражается формулой:

,

где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от системы единиц измерения величин.

Электрическое взаимодействие в природе обнаружили древние греки, примерно 2,5 тысяч лет назад, им же были известны и свойства магнитного железняка. Через 500 лет китайцы открыли способность магнитного железняка определенным образом ориентироваться в пространстве и создали первый примитивный компас. Далее было установлено (к концу XVI века), что существуют две разновидности магнетизма, которые получили название магнитных полюсов – северного и южного. Как и электрические заряды, одноименные магнитные полюса отталкиваются, а разноименные притягиваются. Сила магнитного взаимодействия ощутима и на больших расстояниях, и подчиняется закону обратных квадратов, т. е. уменьшается с увеличением расстояния полюсами пропорционально квадрату расстояния.

В начале 19-го века, после опытов Эрстеда, стало ясно, что магнитное взаимодействие это «одна сторона» электромагнитного взаимодействия заряженных тел. В середине 19-го века Максвелл создал первую единую теорию электромагнетизма, объединившую электрическое и магнитное взаимодействия в одно - электромагнитное.

Электромагнитным взаимодействием обусловлены связи электронов и ядер в атомах, атомов в молекулах, частиц в обычных макротелах. Степень электромагнитного взаимодействия частиц определяет твердость, пластичность, упругость тел, все остальные макроскопические свойства, и явления, возникающие при контакте двух тел. Электромагнитному воздействию частиц Солнца мы обязаны существованием всего живого на Земле.

Слабое взаимодействие. Слабое взаимодействие существует только в мире элементарных частиц. По своему характеру оно совершенно не похоже ни на электромагнитное, ни на гравитационное. Оно не создает тянущих или толкающих усилий в том смысле, как это принято в механике. Слабое взаимодействие вызывает превращение одних частиц в другие, часто приводя продукты реакции в движении с большими скоростями.

Как известно, из большого списка элементарных частиц только протон (р⁺), электрон (e^-), фотон и нейтрино является стабильными в свободном состоянии. Нестабильные свободные частицы за то или иное характерное время распадаются и превращаются в другие частицы. Так, если нейтральные π – мезоны под влиянием электромагнитного воздействия распадаются за время ≈10^-16 с, резонансные частицы за счет сильных взаимодействий распадаются за 10^-23 с, то слабое взаимодействие приводит к распаду частиц за время ≈ 10^-10 – 10^-6 с. Слабое взаимодействие можно выделить среди остальных с помощью правила: если в процессе взаимодействия участвуют нейтрино, антинейтрино, то такие взаимодействия являются слабыми. Примерами слабого взаимодействия могут служить: 1) распад нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино , 2) взрыв сверхновой звезды. В 1054 году китайские астрономы отметили появление яркой голубой звезды в той области неба, где раньше не наблюдалось ничего. Звезда ярко светила на протяжении нескольких недель, а затем стала медленно угасать. Современные астрономы считают эту вспышку гигантским взрывом старой звезды, вызванным внезапным коллапсом ее ядра, который сопровождался испусканием огромного количества нейтрино. Обладая только слабым взаимодействием (не считая гравитационного) эти нейтрино разметали наружные слои звезды, образовав клочья облаков расширяющегося газа. Ныне сверхновая 1054 года наблюдается в виде светлого пятна в созвездии Тельца. Его называют Крабовидной туманностью.

Слабое взаимодействие ощутимо только на очень малых расстояниях. Радиус действия слабых сил удалось точно измерить только в 80-х годах прошлого века. В отличие от «дальнодействующих» сил гравитации и электромагнетизма слабое взаимодействие прекращается на расстоянии большем м от источника. Следовательно, макроскопические объекты его не ощущают, а действие слабых сил ограничивается отдельными субатомными частицами.

Хотя теория слабого взаимодействия была разработана Э. Ферми и другими физиками в 30-е годы 20-го века и непрерывно совершенствовалась, она не обеспечивала подлинного понимания слабого взаимодействия. Новая теория была создана в конце 60-х годов Стивеном Вайнбергом и Абдусом Саламом..

Сильное взаимодействие. Наличие в ядрах одноименно заряженных протонов и нейтральных частиц говорит о том, что в природе существуют взаимодействия, которые интенсивнее электромагнитных, иначе ядро не могло бы образоваться. Эти взаимодействия, которые называют сильными, проявляются лишь в пределах ядра. За пределами ядра сильное ядерное притяжение не ощущается, оно резко падает на расстоянии, превышающем 10^-15м. Следовательно, хотя по величине ядерное притяжение существенно превосходит все остальные фундаментальные взаимодействия, оно не проявляется в макротелах.

Сильное взаимодействие испытывают протоны и нейтроны, но не электроны, нейтрино и фотоны. В сильном взаимодействии участвуют только тяжелые частицы. Оно проявляется и как притяжение, не позволяющее развалиться ядру, но и как взаимодействие, приводящее к распаду некоторых нестабильных частиц. В недрах Солнца и звезд непрерывно протекают термоядерные реакции, вызываемые сильным взаимодействием, что и обеспечивает излучение энергии этими объектами. Именно сильными взаимодействиями объясняются высвобождение энергии водородной бомбы.

Если рассматривать взаимодействие только элементарных частиц, то «интенсивность» различных видов фундаментальных взаимодействий относительно сильного распределяется следующим образом: сильное ≈ 1, электромагнитное ≈ 10^-3 _, слабое ≈ 10^-14 _, гравитационное ≈10^-40 .