Четыре фундаментальных взаимодействия

Четыре фундаментальных взаимодействия.

Фундаментальными взаимодействиями в физике называются качественно различающиеся виды взаимодействий между элементарными частицами и состоящими из них физическими телами. На данный момент исследователями выделяется четыре фундаментальных взаимодействия: сильное, слабое, гравитационное и электромагнитное. При этом учёные считают слабое и электромагнитное взаимодействия проявлениями электрослабого взаимодействия. Ведутся исследования, призванные выявить в мегамире и микромире другие типы фундаментальных взаимодействий, но на сегодняшний день они пока что не увенчались успехом.

Как известно, учёные-физики разделяют энергию на два типа – кинетическую и потенциальную. При этом причиной ускорения или замедления движения физических тел, то есть изменения кинетической энергии, является потенциальная энергия, или сила, что описывается во втором законе Ньютона.

 — сила, приложенная к материальной точке;

— ускорение материальной точки;

m — масса материальной точки.

Если исследовать окружающий мир, то можно выделить множество разновидностей силы, например, силу натяжения нити, силу сжатия пружины, силу тяжести, силу столкновения тел. Когда физиками было доказано дискретное, то есть атомарное, строение вещества, выяснилось, что все виды сил являются результатом взаимодействия атомов.

Со временем исследования показали, что основным типом межатомного взаимодействия является электромагнитное взаимодействие, и поэтому многие виды сил представляют собой проявления данного взаимодействия. Однако, исследователи выделили и исключения, представляющие собой другие разновидности фундаментальных взаимодействий. Наиболее показательный пример такого исключения – гравитация, или сила тяжести.

P – вес тела (совпадает с силой тяжести)

m – масса тела

g — ускорение свободного падения

Причиной силы тяжести является гравитационное взаимодействие между физическими телами, которые обладают массой.

Ученые до сих пор спорят о природе гравитации, выдвигая различные теории, призванные объяснить данное явление.

Для того, чтобы описать сегодняшнее состояние научных представлений о четырёх фундаментальных взаимодействиях, необходимо обратиться к истории открытия и исследования данных взаимодействий. Известно, что на момент наступления двадцатого века все известные на тот момент в физике силы сводились к электромагнитному и гравитационному фундаментальным взаимодействиям. В первой половине двадцатого века учёные выяснили, что атомные ядра состоят из таких частиц, как нуклоны, включающие в себя две разновидности – протоны и нейтроны.

Этот факт показал, что известных на тот момент типов взаимодействий недостаточно для объяснения природы сил, которые удерживают данные частицы в ядре. Таким образом, физиками были открыты новые типы взаимодействий – сначала сильное взаимодействие, а потом – слабое, необходимое для объяснения распада свободного нейтрона. Открытия ещё двух фундаментальных взаимодействий оказалось достаточно для описания явлений, наблюдающихся на данный момент в мегамире, макромире и микромире.

Первым теорию, описывающую фундаментальное взаимодействие, создал Д. К. Максвелл во второй половине девятнадцатого века. Это была теория электромагнетизма, объединившая электрические и магнитные явления в единое целое. Затем, в начале двадцатого века, А. Эйнштейн создал общую теорию относительности, тем самым, описав новое фундаментальное взаимодействие – гравитационное. Сразу же ученые стали предпринимать попытки объединить эти теории в единую теорию, вскрывающую взаимосвязи между гравитацией и электромагнетизмом, описывающую оба известных на тот момент фундаментальных взаимодействия как проявления единого, более общего взаимодействия. Однако эти попытки потерпели крах, что объясняется различным характером рассматриваемых теорий. Теория электромагнетизма опирается на материальную природу электромагнитных явлений, в то время как гравитационное поле описывается у Эйнштейна с помощью пространственно-временных искривлений, и в данном смысле материей не является.

Во второй половине двадцатого века, когда были открыты сильное и слабое взаимодействия, а также появились проблемы, связанные с квантованием классических, или неквантовых физических теорий и моделей, задача построения единой теории взаимодействия существенно усложнилась. После создания теории электрослабого взаимодействия, которое осуществили учёные А. Салам, С. Вайнберг и Ш. Л. Глэшоу, проблема объединения электромагнитного и слабого взаимодействий в единую систему была решена. Позже, после открытия сильного взаимодействия, или квантовой хромодинамики, которая, вместе с теорией электрослабого взаимодействия, легла в основу современной физики элементарных частиц. На этом фундаменте была построена так называемая «стандартная модель», описывающая взаимодействия в микромире, в том числе, три фундаментальных взаимодействия: электромагнитное, слабое и сильное. На сегодняшний момент появляется много новых данных, не вписывающихся в данную теоретическую конструкцию.

Однако пока что постулаты, связанные со стандартной моделью, подтверждаются экспериментально, и для продолжения опытов необходимо создание новых сооружений, таких, например, как большой адронный коллайдер, с помощью которого учёные надеются обнаружить теоретически предсказанный, но пока ещё не найденный бозон Хиггса, выделение которого может помочь в дальнейшей корректировке стандартной модели. Однако данная модель не включает в себя такое фундаментальных взаимодействие, как гравитацию.

Итак, в данный момент четыре фундаментальных взаимодействия описываются общей теорией относительности, рассматривающей гравитацию, и такой теоретической конструкцией, как стандартная модель, рассматривающей три другие взаимодействия. Основная трудность в создании всеобщей теории, описывающей все взаимодействия, является создание квантовой теории гравитации. Далее рассмотрим основные трудности, возникающие в связи с созданием такой теории, различные аспекты взаимодействий, вписывающихся в стандартную модель, а также основные подходы, связанные с созданием единой теории взаимодействий, такие, например, как теории струн, петлевую квантовую гравитацию, так называемую М-теорию.

Гравитационное взаимодействие является одним из фундаментальных взаимодействий, оно проявляется между всеми материальными телами. При слабом взаимодействии, малых скоростях, в условиях макромира описывается физическими законами, которые открыл учёный И. Ньютон. Самой распространённой теорией, объясняющей гравитацию в масштабах мегамира, всей Вселенной, является общая теория относительности, разработанная А. Эйнштейном. Существуют также альтернативные теории гравитации, которые пытаются включить гравитацию в общее поле с другими взаимодействий, такие, как релятивистская теория гравитации, теория, использующая понятие массивного гравитона, калибровочная теория гравитации, телепараллелизм, выдвинутый самим Эйнштейном, теория гравитации Бранса-Дикке, биметрическая теория гравитации, а также несимметричная теория гравитации.

Гравитация в обычных для человека масштабах описывается законом всемирного тяготения, который открыл Ньютон.

F=G(m1+m2)/r,

F — сила гравитационного притяжения

G — гравитационная постоянная, равная примерно м³/(кг•с²)

m1 и m2 — массы тел

r — радиус между телами

Согласно этому закону, сила гравитации между двумя телами, разделёнными определённым расстоянием, пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна расстоянию, возведённому в квадрат. Гравитационное поле вокруг тел потенциально, а это значит, что энергия, с которой, например, планеты двигаются по своим орбитам, неизменна, а гравитационное взаимодействие в рамках теории Ньютона является дальнодействующим, а это значит, что гравитационный потенциал зависит только от положения тела в пространстве на данный момент времени. В больших масштабах, при значительных массах, характерных для планет, звезд и галактик, задействованы достаточно сильные гравитационные поля.

Хотя гравитационное взаимодействие считается слабейшим, оно действует на любые расстояния. Поскольку все массы космических тел положительны, а электромагнитное взаимодействие практически ничтожно вследствие того, что полный электрический заряд данных тел равен нулю, гравитационное взаимодействия является важнейшим в условиях мегамира. Ещё одной важной характеристикой гравитации является её универсальность в воздействии на энергию и материю, гравитационному взаимодействию подвержены абсолютно все объекты, изучаемые физикой. Из-за этих особенностей гравитации образуются такие явления, как чёрные дыры, происходит расширение Вселенной, гравитацией определяется строение галактик, орбиты планет, а также самые простые проявления закона всемирного тяготения – падение тел на поверхность Земли.

Гравитационное взаимодействие описывали ещё в Древней Греции, однако дать ему научное обоснование мыслители того времени не могли. Древнегреческий философ Аристотель полагал, что чем предмет тяжелее, тем быстрее он будет падать на землю. Только в новое время, когда любые рассуждения и исследования стали поверять опытом, экспериментом, Г. Галилей определил, что скорость падения зависит от сопротивления воздуха, а не от массы тела, и все тела при падении на поверхность земли ускоряются одинаково. Общая теория относительности, созданная в начале двадцатого века, более точно описала гравитационное взаимодействие, поставив его в рамки геометрии пространства и времени.

Движение тел в пустом пространстве, где единственным видом взаимодействия является гравитационное, изучает такой раздел физики как небесная механика. Данная дисциплина рассматривает, в качестве самых простых задач,  гравитационное взаимодействие между несколькими телами разных форм и размеров в пустом пространстве, причём в качестве тел рассматриваются планеты, звёзды и кометы, а в качестве пустого пространства – космос. Решение задачи о гравитационном взаимодействии двух тел предложил на рубеже шестнадцатого и семнадцатого веков немецкий астроном И. Кеплер, причём он пришел к открытию так называемых законов Кеплера интуитивно, на основе наблюдений астронома Т. Браге. Однако, если рассматривать гравитационное взаимодействие трех и более тел, сложность задачи по точному предсказанию движения данных тел существенно осложняется. Например, невозможно предсказать точное движение планет в Солнечной системе хотя бы на сто миллионов лет вперед. Несмотря на многочисленные попытки, учёным ещё не удалось точно описать поведение системы, состоящей из большого количества тел одинаковой массы, из-за проявления динамического хаоса. В случае, когда масса одного тела значительно больше массы других тел, возможно, прогнозировать гравитационное взаимодействие, игнорируя влияние малых тел, или, точнее, просчитывая их взаимодействие, друг с другом в рамках теории возмущений, однако такой прогноз не сможет включать возникновение такие необычные явления, как аттракторы, резонансы, хаотичность.

Если гравитационные поля достаточно сильны, а скорости тел достаточно велики, начинается проявление эффектов, описанных в общей теории относительности. Например, изменяется геометрия пространства-времени, закон тяготения отклоняется от закона Ньютона, в некоторых случаях появляются черные дыры. Кроме того, происходит множество других, недостаточно изученных на данный момент явлений. Одним из спорных явлений, предсказанных общей теорией относительности, является гравитационное излучение, существование которого до сих пор не подтверждено экспериментами или наблюдением в природе. Существуют только косвенные доказательства, существования данного излучения, такие, как нейтронные звезды и чёрные дыры, активно теряющие энергию, которая, согласно общей теории относительности, уносится именно гравитационным излучением.

Начиная со второй половины двадцатого века, предпринимаются постоянные попытки обнаружения гравитационного излучения в природе. Для этих целей используются наземные детекторы, а также космический детектор, который ныне только проектируется. Также чрезвычайно важны эксперименты по выявлению так называемых тонких эффектов гравитации, проявления которых в земных условиях очень слабы, и проведение таких экспериментов до недавнего времени выходило за рамки технических возможностей. Среди тонких явлений гравитации можно назвать такие, как увлечение инерциальных систем отчёта и гравитомагнитное поле.

На данный момент, кроме основной теории гравитации, общей теории относительности, существует несколько альтернативных теорий гравитации. Сначала необходимо рассмотреть общую теорию относительности, чтобы затем описать принципиальные отличия альтернативных теорий, многие из которых лишь уточняют общую теорию относительности. Итак, в рамках общей теории относительности гравитационное взаимодействие рассматривается изначально не как силовое, а как проявление искривления геометрического пространства-времени. В данном случае гравитационное взаимодействие превращается в эффект неевклидовой геометрии. Гравитационное поле в общей теории относительности рассматривается как обобщение гравитационного потенциала, который Ньютон изучал в земных условиях, и становится фундаментальным физическим полем четырехмерного пространства-времени, а свойства гравитации определяют свойства пространства-времени.

Общая теория относительности является развитием специальной теории относительности, также разработанной А. Эйнштейном в начале двадцатого века. В рамках данной теории доказывается, что гравитационное взаимодействие связано не с взаимодействиями тел и полей, как три других фундаментальных взаимодействия, а является искажением пространства–времени, где данные поля и тела находятся. Данная деформация связана в первую очередь, с присутствием определённой массы-энергии. Общая теория относительности использует уравнения, выведенные А. Эйнштейном, для объяснения связи искривления пространства-времени и материи в нём. На данный момент общая теория относительности является самой успешной теорией для объяснения явлений, вызванных гравитационным взаимодействием, так как подтверждается многими наблюдениями.

В качестве примера можно привести объяснение аномалии в процессе вращения Меркурия вокруг Солнца. Также, одним из самых известных примеров является отклонение света вблизи солнца в момент наблюдения полного солнечного затмения. Кроме того, другие физические явления подтверждают данную теорию гравитационного взаимодействия. Например, гравитационное красное смещение, которое является эффектом изменения частоты испущенного некоторым источником света, или любых электромагнитных волн по мере удаления от объектов с большой массой, таких, как звёзды и чёрные дыры, и представляет собой сдвиг спектральных линий, близких к данным объектам, излучающим свет, в красную область спектра. Свет, приходящий из областей с более слабым гравитационным полем, смещается в фиолетовую часть спектра. Однако, такие явления, как гравитационное излучение, пока что не удалось доказать прямыми наблюдениями.