Глава 6. Фундаментальные силы и поля

§ 6.1 Фундаментальные взаимодействия

Всякие процессы и явления, происходящие в природе, являются результатом различных взаимодействия между разнообразными видами материй. В современной физике все эти взаимодействия сводятся к четырем типам фундаментальных взаимодействий. Это гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия.

1. Гравитационное взаимодействие присуще всем без исключения физическим телам и частицам, проявляясь в виде сил всемирного тяготения (силы гравитации). Однако из-за малости масс элементарных частиц оно в микромире несущественно ( хотя может быть существенным при колоссальных энергиях ~10²² Мэв, которые соответствуют сверхмалым расстояниям ~10⁻³⁵ м).

2. Электромагнитное взаимодействие, в основе которого лежит связь с электромагнитным полем, характерно для всех элементарных частиц или физических тел, которые имеют электрические заряды. Оно, в частности, ответственно за существование атомов и молекул (электроны на орбите вокруг ядра удерживаются кулоновскими силами, которые ~10⁴⁰ раза превосходит силы тяготения).

3. Сильное (ядерное) взаимодействие обусловливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов и действует на малых расстояниях порядка размеров ядра (10⁻¹³ см). Радиус их действия ~10⁻¹⁵м. В микромире сильное взаимодействие в среднем ~100 раз превышает электромагнитное взаимодействие, в 10¹⁴ раз – слабое и 10³⁹ раз – гравитационное (подробнее см. §10.3).

4. Слабое взаимодействие – наиболее медленное из всех взаимодействий, протекающих в микромире. Оно ответственно за взаимодействие частиц в некоторых процессах распада ( − распад, − распад). Радиус их действия ~10⁻¹⁹ м.

§ 6.2. Фундаментальные силы

Сила, являющаяся мерой механического воздействия на физические тела, как количественная, векторная характеристика позволяет оценивать лишь гравитационные и электромагнитные взаимодействия. В тех чрезвычайно малых областях пространства и в тех процессах, в которых проявляются сильные и слабые взаимодействия, такие понятия, как точка приложения, линия действия, а вместе с ними и само понятие силы теряют смысл. Поэтому явления сильных и слабых взаимодействий объясняются в рамках квантовой физики.

Что касается гравитационных и электромагнитных взаимодействий, несмотря на то, что по сути гравитационные, электрические и магнитные взаимодействия существенно отличаются друг от друга, закономерности их проявления, обнаруженные разными исследователями в разные времена, имеют много аналогов между собой. Поэтому мы, используя аналоговый подход, их характеристики будем рассматривать с единой точки зрения, не забывая, однако, что аналогия между ними не означает их идентичность.

Многочисленные эксперименты показывают, что модули сил всех этих взаимодействий можно представить в виде

, (6.1)

где A₁ , A₂ – характеристики носителей этих взаимодействий, а r − расстояние между ними.

Для гравитационных взаимодействий носителями этих взаимодействий являются массы взаимодействующих тел m₁ и m₂ (гравитационные массы). Для электрических взаимодействий носителями этих взаимодействий являются электрические заряды q₁ и q₂. Для магнитных взаимодействий роль таких носителей играют элементы тока и , которые представляют собой векторы, модули которых равны произведению бесконечно малого участка длины проводника на силу тока в нем.

Переход от пропорциональности к равенству осуществляется коэффициентами, которые зависят от вида взаимодействия, от выбора систем единиц и определяется экспериментально.

Для гравитационных взаимодействий этот коэффициент G = 6,67^.10^-11 Н^.м²/кг² (экспериментально определил Кавендиш 1798г.) называется гравитационной постоянной и не зависит от физических свойств среды.

Для электрических взаимодействий в рационализированной системе единиц СИ этот коэффициент представляется в виде , где = 8,85^.10^-12 Кл²/(Н^.м²) электрическая постоянная, а − диэлектрическая проницаемость среды, характеризующая электрические свойства данной среды.

Для магнитных взаимодействий в рационализированной системе единиц СИ коэффициент пропорциональности имеет вид , где = 4π^.10^-7Н/А²- магнитная постоянная, а - магнитная проницаемость среды, характеризующая магнитные свойства среды, ее способность намагничиваться под влиянием внешнего магнитного плоя.

Таким образом, силы гравитационного взаимодействия определяются формулой:

(закон всемирного тяготения - между двумя материальными точками действуют силы взаимного притяжения, прямо пропорциональные массам этих точек и обратно пропорциональные квадрату расстояния между ними (Ньютон 1665г.). Этот закон справедлив также для взаимодействия однородных шаров и взаимодействия большого шара с малыми телами (например, Земли с находящими на ней или вокруг нее малыми телами).

Силы электрического взаимодействия определяются законом Кулона (1785г.):

, сила взаимодействия между двумя неподвижными точечными зарядами прямо пропорциональна этим зарядам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Элементарная сила магнитного взаимодействия между элементами тока (сила Ампера) определяется формулой:

dF ~ .

Существенно, что все эти силы с расстоянием уменьшаются одинаково – они обратно пропорциональны квадрату расстояния. Есть мнение, что это связанно с трехмерным объемом пространства: силы убывают с расстоянием по формуле 1/r ^n-1 , где n- порядок пространства (мы живем в мире с n =3).