Характеристика основных физических взаимодействий

Оглавление

Введение. 4

Проблемы учения о взаимодействии и движении. 7

Гравитационное взаимодействие. 9

Электромагнитное взаимодействие. 12

Слабое ядерное взаимодействие. 15

Сильное ядерное взаимодействие. 17

Теория большого объединения и суперобъединения. 19

Заключение. 22

Список литературы. 23

Введение.

Естествознание не только выделяет типы материальных объектов во Вселенной, но и раскрывает связи  между ними. Связь между объектами  в целостной системе более  упорядочена, более устойчива, чем  связь каждого из элементов с  элементами из внешней среды. Чтобы  разрушить систему, выделить из системы  тот или иной элемент, нужно приложить  к ней определенную энергию. Эта  энергия имеет разную величину и  зависит от типа взаимодействия между  элементами системы. В мегамире эти взаимодействия обеспечиваются гравитацией, в макромире к гравитации добавляется электромагнитное взаимодействие, и оно становится основным, как более сильное. В микромире на размерах атома проявляется еще более сильное ядерное взаимодействие, обеспечивающее целостность атомных ядер. При переходе к элементарным частицам энергия внутренних связей становится сравнимой с собственной энергией частиц — слабое ядерное взаимодействие обеспечивает их целостность. Так что чем меньше размеры материальных систем, тем более прочно связаны между собой элементы.

История науки знает множество  попыток представить сложные  процессы во Вселенной в виде определенных схем. Успешное познание окружающего  мира и приведение наблюдаемых явлений  к простейшим понятиям возможны лишь в том случае, если бы мы сумели описать  мир в терминах ограниченного  числа фундаментальных частиц и  нескольких типов фундаментальных  взаимодействий, в которые они  могут вступать. В основе каждого фундаментального взаимодействия лежит изначально присущее веществу особое свойство, природу которого удастся выяснить лишь в ходе дальнейших, все более глубоких исследований природы вещества и вакуума. Носителем способности частиц к взаимодействиям, а также количественной мерой самого взаимодействия служит понятие заряда. Каждая частица изначально обладает одним или несколькими зарядами, причем между собой взаимодействуют только однотипные заряды, а заряды разных типов друг друга «не замечают». Наименьшее дискретное значение заряда (квант) называют единичным зарядом. Сила взаимодействия во всех случаях пропорциональна произведению зарядов двух взаимодействующих частиц, более сложно она зависит от расстояния между частицами.

По современным представлениям взаимодействие любого вида должно иметь  своего физического агента, без посредника оно не протекает. В основе такого требования лежит тот факт, что  скорость передачи воздействия ограничена фундаментальным пределом - скоростью  света. Поэтому притяжение или отталкивание частиц передается через среду, их разделяющую. Такой средой является вакуум. При  создании теории взаимодействия используют определенную модель процесса: заряд-фермион  создает вокруг частицы поле, порождающее  присущие ему частицы-бозоны; по своей  природе это поле близко к тому состоянию, которое физики приписывают  вакууму. Иначе говоря, заряд частицы возмущает вакуум, и это возмущение с затуханием передается на определенное расстояние; частицы поля являются виртуальными - существуют очень короткое время и в эксперименте не могут быть обнаружены; оказавшись в радиусе действия своих однотипных зарядов, две реальные частицы начинают стабильно обмениваться виртуальными бозонами: одна частица испускает бозон и тут же поглощает идентичный бозон, испущенный частицей-партнером, и наоборот; обмен бозонами создает эффект притяжения или отталкивания частиц-хозяев.

Таким образом, каждой частице, участвующей в одном из фундаментальных  взаимодействий, соответствует своя бозонная частица - переносчик взаимодействия. Очень важным фактором является наличие массы у частиц, в том числе и у некоторых переносчиков взаимодействия (вопрос о происхождении массы у частиц до сих пор не решен, предполагается, что она появляется в результате особой формы взаимодействия частиц со структурой вакуума) - от этого зависит радиус действия соответствующих сил.

Механика Ньютона гласила  же о другом. Она была признана, но происхождение сил, которые вызывают ускорения, в ней не обсуждались. Теория утверждала, что силы гравитации действуют через пустоту, они дальнодействующие, тогда как силы электромагнитные — через среду. В настоящее время все взаимодействия в природе сводят к четырем типам: гравитационные, электромагнитные, сильные ядерные и слабые ядерные.  

Проблемы учения о взаимодействии и движении.

Связь, взаимодействие и движение представляют собой важнейшие атрибуты материи, без которых невозможно ее существование. Взаимодействие обусловливает  соединение различных материальных элементов в системы, системную  организацию материи. Все свойства тел производны от взаимодействий, являются результатом их структурных  связей и внешних взаимодействий между собой.

Взаимодействие представляет собой развертывающийся во времени  и пространстве процесс воздействия  одних объектов на другие путем обмена материей и движением. Взаимодействие выступает как движение материи, а любое движение включает в себя различные виды взаимодействия. По существу, эти понятия совпадают, хотя часто употребляются в разных контекстах. Когда мы говорим о  движении, то имеем в виду не столько  внутренние изменения, основанные на структурных  взаимодействиях, составляющих систему  элементов материи, сколько внешнее  пространственное перемещение тел, где взаимодействия как будто  не видно. Но если взглянуть глубже, то и при пространственном перемещении тел обязательно есть их взаимодействие с окружающей средой и материальными полями, в результате чего изменяются свойства тел. Не существует такого движения, в содержании которого не было бы взаимодействия элементов материи, так же, как и всякое взаимодействие выступает как определенное изменение и движение.

Взаимодействие и движение являются формой существования материи. Для всякого объекта существовать - значит взаимодействовать, как-то проявлять  себя по отношению к другим телам, находиться с ними в объективных  отношениях. Именно взаимодействие и  движение являются объективными критериями существования тел.

Следуя объективной логике развития природы, можно выделить несколько  форм движения: в неживой природе, в живой природе и в обществе. Физика занимается исследованием процессов, происходящих в неживой природе  и являющихся фундаментом гораздо более сложных процессов, происходящих на более высоких уровнях организации материи.

Несомненные успехи физических наук за последнее столетие привели  к необычайному углублению наших  знаний в этой области бытия и, особенно в теории взаимодействия и  движения материи.

Долгое время физика понимала движение как простое механическое движение, но затем было осознано, что  оно является лишь частным случаем  пространственного перемещения - любого изменения положения тела и его  элементов в пространстве, связанного и с изменением во времени. Так, механическим является движение по определенной траектории, но существует бестраекторное пространственное перемещение типа сферического распространения фронта электромагнитных волн в полях, а также гравитационных волн в поле тяготения. Движению элементарных частиц тоже нельзя приписать определенную траекторию, как у материальной точки.

Но любые формы движения, изучаемые физикой, есть проявление глубинных свойств материи - так  называемых фундаментальных взаимодействий.

Гравитационное  взаимодействие.

Гравитация первым из четырех  фундаментальных взаимодействий стала  предметом научного исследования. Аристотель и его последователи считали, что все тела стремятся к «своему месту» (тяжелые — вниз, к Земле, легкие — вверх). Созданная в XVII в. ньютоновская теория гравитации (закон всемирного тяготения) позволила впервые осознать истинную роль гравитации как силы природы. В ньютоновской гравитационной теории гравитация фактически полностью ассоциирована с силой тяжести или силой веса. Сущность гравитации по Ньютону в том, что к телу приложена сила -  сила тяжести (в условиях Земли она обычно называется силой веса). Источник этой силы -  другое или другие тела. Никакого гравитационного поля, фактически, нет. Гравитация есть прямое взаимодействие между телами. Это взаимодействие определяется Законом Всемирного Тяготения Ньютона. Никакого особого гравитационного пространства не существует. Гравитационное поле носит условный характер и служит лишь для удобства расчетов.

 Релятивистской теорией гравитации является Общая Теория Относительности. Теория дает отличающиеся результаты от закона Ньютона в сильных гравитационных полях, в слабых — обе теории совпадают. Согласно ОТО, гравитация — это проявление искривления пространства-времени. Тела движутся по искривленным траекториям не потому, что на них действует гравитация, а потому, что они движутся в искривленном пространстве-времени. Движутся «кратчайшим путем, и тяготение — это геометрия». Влияние искривления пространства-времени можно обнаружить не только вблизи коллабсирующих объектов типа нейтронных звезд или черных дыр. Таковы, например, прецессия орбиты Меркурия или замедление времени на поверхности Земли. Эйнштейн показал, что гравитацию можно описывать как эквивалент ускоренного движения.

Гравитация обладает рядом  особенностей, резко отличающих ее от других фундаментальных взаимодействий. Наиболее удивительной особенностью гравитации является ее малая интенсивность. Гравитационное взаимодействие в 10³⁹ раз меньше силы взаимодействия электрических зарядов. Поэтому в описании взаимодействий элементарных частиц оно обычно не учитывается. В микромире гравитация ничтожна.

Если бы размеры атома  водорода определялись гравитацией, а  не взаимодействием между электрическими зарядами, то радиус низшей (самой близкой  к ядру) орбиты электрона превосходил  бы радиус доступной наблюдению части  Вселенной.

Как может такое слабое взаимодействие оказаться господствующей силой во Вселенной? Все дело во второй удивительной черте гравитации —  ее универсальности. Ничто во Вселенной  не может избежать гравитации. Каждая частица испытывает на себе действие гравитации и сама является источником гравитации, вызывает гравитационное притяжение. Гравитация возрастает по мере образования все больших  скоплений вещества. И хотя притяжение одного атома пренебрежимо мало, но результирующая сила притяжения со стороны  всех атомов может быть значительной. Это проявляется и в повседневной жизни: мы ощущаем гравитацию потому, что все атомы Земли сообща притягивают нас.

Кроме того, гравитация —  дальнодействующая сила природы. Это  означает, что, хотя интенсивность гравитационного  взаимодействия убывает с расстоянием, оно распространяется в пространстве и может сказываться на весьма удаленных от источника телах. В  астрономическом масштабе гравитационное взаимодействие, как правило, играет главную роль. Благодаря дальнодействию гравитация не позволяет Вселенной  развалиться на части: она удерживает планеты на орбитах, звезды в галактиках, галактики в скоплениях, скопления  в Метагалактике.

Сила гравитации, действующая  между частицами, всегда представляет собой силу притяжения: она стремится  сблизить частицы. Гравитационное отталкивание еще никогда не наблюдалось.

Хотя в традициях квазинаучной мифологии есть целая область, которая  называется левитацией — поиск «фактов» антигравитации.

Весьма трудно развиваются  представления о квантовании  гравитации. Тем не менее, согласно общим теоретико-физическим представлениям гравитационное взаимодействие должно подчиняться квантовым законам так же, как и электромагнитное. (Иначе возникают множественные противоречия в основаниях современной физики, в том числе связанные с принципом неопределенности и др.) В таком случае гравитационному взаимодействию должно соответствовать поле с квантом гравитации — гравитоном (нейтральная частица с нулевой массой покоя и спином 2). Квантовая гравитация приводит к появлению представления о дискретности свойств пространства-времени, понятиям элементарной длины, кванта пространства r ≈ 10^-33см, и элементарного временного интервала, кванта времени t ≈ 10^-43 сек. Последовательная квантовая теория гравитации пока не создана.

К сожалению, возможности  современной экспериментальной  гравитационной физики и астрономии не позволяют зафиксировать квантовые  эффекты гравитации в силу их чрезвычайной слабости. Тем ни менее явления, в которых проявляются квантовые свойства гравитации, по-видимому, существуют. Они проявляют себя в очень сильных гравитационных полях, где происходят квантовые процессы рождения частиц (точка сингулярности, начальные моменты возникновения Вселенной, гравитационный коллапс, черные дыры).

Электромагнитное взаимодействие.

По величине электрические  силы намного превосходят гравитационные, поэтому в отличие от слабого  гравитационного взаимодействия электрические  силы, действующие между телами обычных  размеров, можно легко наблюдать. Электромагнетизм известен людям с  незапамятных времен (полярные сияния, вспышки молнии и др.).

. Но долгое время электрические и магнитные явления изучались независимо друг от друга. И только в середине XIX в. Дж. К. Максвелл объединил учения об электричестве и магнетизме в единой теории электромагнитного поля. А существование электрона (единицы электрического заряда) было твердо установлено в 1890-е гг. Затем было установлено существование протона и позитрона, поэтому электрический заряд в электромагнитном взаимодействии проявляется в двух разновидностях: заряд, присущий электрону, назван отрицательным; заряд, присущий протону и позитрону, назван положительным. Взаимодействие зарядов обеспечивается обменом виртуальных фотонов. В случае разноименных зарядов обмен создает эффект притяжения, а в случае одноименных – отталкивания. Но не все элементарные частицы являются носителями электрического заряда. Электрически нейтральны, например, фотон и нейтрино. Этим электричество отличается от гравитации. Все материальные частицы создают гравитационное поле, тогда как с электромагнитным полем связаны только заряженные частицы.

Как и электрические заряды, одноименные магнитные полюсы отталкиваются, а разноименные — притягиваются. Но в отличие от электрических  зарядов магнитные полюсы встречаются  не по отдельности, а только парами — северный полюс и южный. Еще  с древнейших времен известны попытки  получить посредством разделения магнита  лишь один изолированный магнитный  полюс — монополь. Но все они  заканчивались неудачей. Может быть, существование изолированных магнитных  полюсов в природе исключено? Определенного ответа на этот вопрос пока не существует. Некоторые современные  теории допускают возможность существования  магнитного монополя.

Современная физика создала  более совершенную и точную теорию электромагнетизма, в которой учтены и квантово-полевые аспекты явления. Эта теория названа квантовой  электродинамикой. Так же как физике неизвестна причина существования массы, так же и теории электромагнетизма неизвестна природа электромагнитного заряда. Поэтому теория начинается с постулирования существования этого заряда. Заряд создает поле, квантом которого служит безмассовый бозон - фотон со спином, равным 1.