поиск по сайту

Фундаментальные взаимодействия в природе



В повседневной жизни мы встречаемся с разнообразными силами. Чтобы открыть дверь, надо приложить мускульную силу и преодолеть силу трения в дверных петлях и упругую силу дверной пружины. Мы наблюдаем силы, с которыми атмосфера давит на барометр и Земля действует на Луну. Электрическая сила запускает двигатель автомобиля, а гидравлическая работает в его тормозах.

Несмотря на разнообразные названия, которые мы даем различным силам, существует лишь два вида сил, управляющих поведением предметов в повседневной жизни, — это гравитационные и электромагнитные силы. Все перечисленные выше силы — лишь разные проявления этих двух фундаментальных сил, или взаимодействий.

Как показывают исследования, все известные взаимодействия относятся к четырем видам фундаментальных взаимодействий: гравитационному, электромагнитному, сильному и слабому ядерному.

Гравитационные взаимодействия обусловлены наличием у тел массы и являются самыми слабыми из фундаментального набора. Они доминируют на расстояниях космических масштабов (в мегамире). Согласно квантовой теории поля переносчиками гравитационного взаимодействия являются гравитоны — частицы с нулевой массой покоя.


Величина гравитационных сил впервые была установлена И. Ньютоном, которым был сформулирован закон всемирного тяготения: между любыми двумя телами возникает сила притяжения, пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними.

Закон всемирного тяготения описывает падение материальных тел в поле Земли, движение планет Солнечной системы и используется для объяснения эволюции космических объектов и Вселенной в целом.

Электромагнитные взаимодействия обусловлены специфическим свойством ряда элементарных частиц, называемым электрическим зарядом. Они играют доминирующую роль в макро- и микромире вплоть до расстояний, превосходящих размеры атомных ядер. Электромагнитные взаимодействия передаются посредством электрического и магнитного полей. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное — при их движении. Изменяющееся магнитное поле порождает переменное электрическое поле, которое, в свою очередь, является источником переменного магнитного поля. Единая природа электрических и магнитных полей впервые была установлена благодаря работам М. Фарадея и Д. Максвелла.

Благодаря электромагнитному взаимодействию существуют атомы и молекулы и происходят химические превращения вещества. Агрегатные состояния вещества (твердые тела, жидкости, газы), трение и упругость определяются силами межмолекулярного взаимодействия, электромагнитными по своей природе. Электромагнитное взаимодействие описывается законом электростатики — законом Кулона, согласно которому сила, действующая между двумя точечными покоящимися зарядами, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и направлена вдоль прямой, соединяющей эти частицы.

Следует заметить, что гравитационные силы, как и электростатические, также убывают обратно пропорционально квадрату расстояния. Однако имеются следующие принципиальные различия между этими силами.

Электростатические силы существенно превосходят гравитационные. Например, электростатическое притяжение электрона к ядру атома превосходит гравитационное в 10 в 42-ой степени раз. Электростатические силы могут быть как силами притяжения, так и силами отталкивания, в то время как гравитационные — только притяжения. Величина гравитационных сил пропорциональна массам взаимодействующих тел, что приводит к специфическому для гравитации явлению невесомости. Подобной зависимости от массы в электростатических силах не наблюдается.

Получение, преобразование и применение электрического и магнитного полей служат основой для создания разнообразных технических устройств: электродвигателей и генераторов, радиоприемников, телевизоров, осветительных и нагревательных приборов и т. д.

Согласно квантовой электродинамике переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны — частицы с нулевой массой. Фотоны регистрируются приборами в виде электромагнитной волны, но также имеют свойства частиц.

Ядерные взаимодействия играют доминирующую роль в ядерных процессах и проявляются лишь на расстояниях, сравнимых с размером ядра атома. При этом существует два типа процессов, существенно различающихся между собой по скорости протекания, что позволяет разделять ядерные взаимодействия на сильные (удерживающие частицы в ядре от разлезания) и слабые, которые являются причиной распада элементарных частиц. Сильное ядерное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов (нейтронов и протонов) в ядре. Чем сильнее взаимодействие нуклонов в ядре, тем стабильнее ядро, тем больше его удельная энергия связи. С увеличением числа нуклонов и, следовательно, размера ядра энергия связи уменьшается и ядро может быстро распадаться, что и происходит с ядрами элементов, находящимися в конце Периодической системы Менделеева.

Предполагается, что сильное ядерное взаимодействие передается глюонами — частицами, которые соединяют кварки.

В слабом ядерном взаимодействии участвуют все элементарные частицы, кроме фотонов. Это взаимодействие обусловливает распад элементарных частиц. Считается, что переносчиками слабого ядерного взаимодействия являются вионы — частицы с массой примерно в 100 раз большей массы протонов и нейтронов.

Рассмотренные типы взаимодействий весьма несхожи друг с другом по проявлениям и с современной точки зрения обусловлены существенно разными механизмами. Тем не менее представляется весьма заманчивым построение единой теории всех фундаментальных взаимодействий. В частности, в результате экспериментальных исследований взаимодействий элементарных частиц в 1983 г. обнаружено, что при больших энергиях столкновения протонов слабое и электромагнитное взаимодействия не различаются и их можно рассматривать как единое электрослабое взаимодействие.

Одна из важнейших задач современной физики — создание единой теории фундаментальных взаимодействий, объединяющей не только электромагнитное и слабое, но и сильное и гравитационное взаимодействия. В частности, предполагается, что при очень больших энергиях взаимодействия частиц все четыре фундаментальных взаимодействия характеризуются одинаковой силой, т. е. представляют собой одно взаимодействие.




Если Вас заинтересовали описанные в статье товары или услуги, Вы можете:
Позвонить:
Поделиться
Еще из раздела естествознание
Измерение пространства и времени История естествознания Концепции возникновения жизни Концепция ноосферы и понятие единой культуры




© 2006-2016 ИП Антонович А.С.
+375-29-5017588
+375-29-1438110