Характеристика основных физических взаимодействий

Электромагнитное поле неподвижных  или равномерно движущихся заряженных частиц неотрывно от этих частиц. Но при ускоренном движении частиц электромагнитное поле «отрывается» от них и участвует  в независимой форме электромагнитных волн. При этом радиоволны (10³—10¹² Гц), инфракрасное излучение (10¹²— 3,7 10¹⁴ Гц), видимый свет (3,7 10¹⁴—7,5 10¹⁴ Гц), ультрафиолетовое излучение (7,5 10¹⁴—3 10¹⁷ Гц), рентгеновское излучение (3 10¹⁷— 3 10²⁰ Гц) и гамма-излучение (3 10²—10²³ Гц) представляют собой электромагнитные волны различной частоты. Причем между соседними диапазонами резких границ нет (длина электромагнитной волны с ее частотой связана соотношением: λ = c/v, где λ — длина волны, v — частота, с— скорость света).

Электромагнитное взаимодействие (как и гравитация) является дальнодействующим, оно ощутимо на больших расстояниях  от источника. Как и гравитация, оно  подчиняется закону обратных квадратов. Электромагнитное взаимодействие проявляется  на всех уровнях материи — в  мегамире, макромире и микромире.

Электромагнитное поле Земли  простирается далеко в космическое  пространство, мощное поле Солнца заполняет  всю Солнечную систему; существуют и галактические электромагнитные поля. В то же время электромагнитное взаимодействие определяет структуру атомов и молекул (положительно заряженное ядро и отрицательно заряженные электроны). Благодаря электромагнитным связям возникают атомы, молекулы и макроскопические тела.

Оно отвечает за подавляющее  большинство физических и химических явлений и процессов (за исключением  ядерных): силы упругости, трения, поверхностного натяжения, им определяются свойства агрегатных состояний вещества, оптические явления, явления ионизации. Многие химические реакции представляют собой проявление электромагнитных взаимодействий, являются результатами перераспределения связей между атомами в молекулах, перестройки электронных оболочек атомов и молекул, а также количества и состава атомов в молекулах разных веществ.

 

Слабое ядерное  взаимодействие.

Это третье фундаментальное  взаимодействие, существующее только в микромире. К выявлению существования слабого взаимодействия физика продвигалась медленно. Слабое взаимодействие ответственно за распады частиц. Поэтому с его проявлением столкнулись при открытии радиоактивности и исследовании бета-распада.

У бета-распада обнаружилась в высшей степени странная особенность. Создавалось впечатление, что в  этом распаде как будто нарушается закон сохранения энергии, что часть  энергии куда-то исчезает. Чтобы  «спасти» закон сохранения энергии, В. Паули предположил, что при  бета-распаде вместе с электроном вылетает, унося с собой недостающую  энергию, еще одна частица. Она —  нейтральная и обладает необычайно высокой проникающей способностью, вследствие чего ее не удавалось наблюдать. Э. Ферми назвал частицу-невидимку «нейтрино».

Но предсказание нейтрино — это только начало проблемы, ее постановка. Возникли подозрения, что трудности теории удастся преодолеть, если допустить, что слабое и электромагнитное взаимодействия - это разные проявления одного взаимодействия наподобие того, как электричество и магнетизм - два проявления единой сущности. Эту идею в 60-х годах воплотили в теорию С. Вайнберг и А. Салам. Теория единого электрослабого взаимодействия позволила решить главные проблемы, связанные со слабым взаимодействием.

Эта теория исходит из существования  единого фундаментального заряда, отвечающего одновременно и за слабое, и за электромагнитное взаимодействия. При очень высоких температурах (энергиях) структура вакуума нарушается и не может помешать проявлению такого заряда. Тогда слабое и электромагнитное взаимодействия сливаются воедино, а заряд порождает общее поле, квантом которого служит безмассовая бозонная частица с бесконечным радиусом действия. При понижении температуры наступает критический момент, после которого вакуум переходит в иную, более упорядоченную модификацию, что меняет характер его взаимодействия с электрослабым зарядом. В результате заряд распадается на две части, одна из которых предстает как электромагнитный заряд, а другая - как слабый заряд. Безмассовая бозонная частица распадается на четыре составляющих. Выделяется бозон электромагнитного воздействия, он остается безмассовой частицей - фотоном. А трем полям слабого заряда соответствуют три тяжелых бозона, получивших. Какие же силы вызывают такой распад? Анализ показал, что известные силы не могут вызвать такой распад. Он, видимо, порождался какой-то иной, неизвестной силой, которой соответствует некоторое «слабое взаимодействие».

Слабое взаимодействие по величине значительно меньше всех взаимодействий, кроме гравитационного. Там, где оно присутствует, его эффекты оказываются в тени электромагнитного и сильного взаимодействий. Кроме того, слабое взаимодействие распространяется на очень незначительные расстояния. Радиус слабого взаимодействия очень мал (10^-16 см). Потому оно не может влиять не только на макроскопические, но даже на атомные объекты и ограничивается субатомными частицами. Кроме того, по сравнению с электромагнитным и сильным взаимодействиями слабое взаимодействие протекает чрезвычайно медленно.

Когда началось лавинообразное открытие множества нестабильных субъядерных  частиц, то обнаружилось, что большинство  из них участвуют в слабом взаимодействии. Слабое взаимодействие играет в природе  очень важную роль. Оно является составной частью термоядерных реакций  на Солнце, звездах, обеспечивая синтез пульсаров, взрывов сверхновых звезд, синтез химических элементов в звездах и др.

 

Сильное ядерное взаимодействие.

Последнее в ряду фундаментальных  взаимодействий — сильное взаимодействие, которое является источником огромной энергии. Наиболее характерный пример энергии, высвобождаемой сильным взаимодействием, — Солнце. В недрах Солнца и звезд  непрерывно протекают термоядерные реакции, вызываемые сильным взаимодействием (при существенном участии и слабого  взаимодействия). Но и человек научился вызывать сильное взаимодействие: создана  водородная бомба, сконструированы  и совершенствуются технологии управляемой термоядерной реакции.

К представлению о существовании  сильного взаимодействия физика шла  в ходе изучения структуры атомного ядра. Какая-то сила должна удерживать положительно заряженные протоны в  ядре, не позволяя им разлетаться под  действием электростатического  отталкивания. Гравитация слишком слаба  и не может это обеспечить; очевидно, необходимо какое-то взаимодействие, причем более сильное, чем электромагнитное. Впоследствии оно было обнаружено и  получило название «сильное взаимодействие».

Выяснилось, что, хотя по своей  величине сильное взаимодействие существенно  превосходит все остальные фундаментальные  взаимодействия, за пределами ядра оно не ощущается. Сильное взаимодействие проявляется на расстоянии, определяемом размерами ядра, т.е. примерно 10^-13 см. Главная функция сильного взаимодействия в природе — создание прочной связи между нуклонами (протонами и нейронами) в ядрах атомов. При этом столкновение ядер или нуклонов, обладающих высокими энергиями, приводит к разнообразным ядерным реакциям, в том числе реакции термоядерного синтеза на Солнце, которая является основным источником энергии на Земле.

Вместе с тем выяснилось, что сильное взаимодействие испытывают не все частицы. Так, его испытывают протоны и нейтроны, но электроны, нейтрино и фотоны не подвластны ему. В сильном взаимодействии участвуют обычно только тяжелые частицы.

Теоретическое объяснение природы  сильного взаимодействия развивалось  трудно. Прорыв наметился только в начале 1960-х гг., когда была предложена кварковая модель. В этой теории нейтроны и протоны рассматриваются не как элементарные частицы, а как составные системы, построенные из кварков.

Теория предполагает, что при сближении протонов и нейтронов на расстояние меньшее, чем 10^-13 см, они теряют свои индивидуальные особенности, и происходит обмен между кварками, удерживающими их в ядрах. Обмен принимает коллективный характер, связывая кварки всех барионов (протонов и нейтронов) в единую систему.

 

Теория большого объединения и суперобъединения.

 

Заветная мечта всех физиков - выявить универсальность всех фундаментальных  сил, объединить все физические взаимодействия в одной теории. Объединение электромагнитного  и слабого взаимодействия в единое электрослабое взаимодействие стало первым обнадеживающим успехом на этом пути. Есть попытки создать теорию Большого объединения (так называется теория объединения электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий). Еще более грандиозна идея объединения всех четырех фундаментальных взаимодействий, включая гравитацию. Соответствующие теоретические построения называют суперобъединением.

Сегодня физики считают, что  они смогут создать эту теорию на основе появившейся недавно теории суперструн. Пионерами в создании этой теории явились М. Грин (Великобритания) и Дж. Шварц (США). Эта теория должна объединить все фундаментальные взаимодействия при сверхвысоких энергиях.

Эта новая теория описывает  некие протяженные объекты - струны. Это - пространственно одномерные отрезки с характерным размером планковской длины 10^-33 см. Предполагается, что на таких малых расстояниях должны проявляться 6 дополнительных пространственных измерений, которые в отличие от обычных четырех измерений компактифицированы, то есть, свернуты в точки, замкнуты, ограничены в определенных областях и не распространяются в область макромира.

Эта теория является следствием объединения квантовой теории поля с общей теорией относительности. Понятие струны в ней становится синонимом понятия микрочастицы или вообще локализованного в  пространстве объекта. Все частицы, которые мы знаем, и, может быть, откроем  в будущем, представляют собой определенное возбужденное состояние струны. Такие  возбужденные состояния струн можно  сравнить с набором звуков, вызываемых колебанием струны, например, скрипки. Более высокие звуки можно  сопоставить с новыми частицами, с массой, большей массы предыдущих частиц. Введение понятия струны полностью  исключает точечные представления из структуры микромира, и, по сути, эта теория сводит физику к геометрии очень сложных пространств.

Теория суперструн тесно  связана с новыми представлениями  о симметрии - с концепцией суперсимметрии, открытой в 60 - 70-х гг., т.е. такого перехода от глобальной калибровочной симметрии к локальной, который бы позволил переходить от фермионов (носителей субстрата материи) к бозонам (носителям структуры материи, переносчикам взаимодействий), и наоборот. Преобразования суперсимметрии переводят их друг в друга, а также связывают физику с геометрией. Теория суперсимметрии рассматривает наш мир как 11-мерное (или 10-мерное, или даже 26-мерное) пространство-время. Из 11 измерений только четыре проявляются в нашем мире, а остальные 7 остались скрученными, замкнутыми. Эти «скрытые измерения» существуют в масштабе r =10^-33 см. Для проникновения в такие масштабы необходима энергия, сравнимая со всей энергией нашей Галактики. Разумеется, проекты проникновения в такие мельчайшие области нашего мира в обозримом будущем для человечества нереальны. (Возможно, они нереальны и в принципе.).

Согласно этой теории, фундаментальным  объектом современной физики является квантованное суперструнное поле, возбуждениями  которого являются суперструны, взаимодействующие  друг с другом и с вакуумом (возникающие  и поглощающиеся в нем). Струны же в свою очередь порождают элементарные частицы.

Теория суперструн ведет  к некоторым нетривиальным следствиям. Так, среди порожденных струнами элементарных частиц должны быть по расчетам гипотетические частицы тахионы - движущиеся со скоростью, большей скорости света. Как следствие этой теории возникает  и представление о «теневом»  мире - объяснение открытого астрономами  факта, что галактики и скопления  галактик содержат большую массу  невидимого вещества, в десятки раз  превосходящую массу самих галактик.

Также на идее суперсимметрии базируется теория супергравитации. Теория супергравитации объединяет в себе модели, теоретические схемы, в рамках которых объединяются все известные типы взаимодействий. Учитывая идеи суперсиметрии, теория супергравитации — это теория не только переносчиков всех фундаментальных взаимодействий, но и частиц, из которых состоит вещество (кварков и лептонов). В супергравитации все они объединяются в единой теории материи (вещества и поля). Одна из теоретических моделей сводит воедино 70 частиц со спином 0; 56 частиц со спином 1/2; 28 частиц со спином 1; 8 частиц со спином 3/2 (их назвали гравитино) и 1 частица со спином 2 (гравитон). Все эти частицы образовались в первые мгновения нашей Вселенной.

Таковы в кратком изложении  те проблемы, решениями которых занимается современная физика.

 

Заключение.

Таким образом, в фундаментальных физических взаимодействиях четко прослеживается различие сил дальнодействующих и близкодействующих. С одной стороны, взаимодействия неограниченного радиуса действия (гравитация, электромагнетизм), а с другой - малого радиуса (сильное и слабое). Мир физических процессов развертывается в границах этих двух полярностей и является воплощением единства предельно малого и предельно большого – близкодействия в микромире и дальнодействия во всей Вселенной. Открытие основных фундаментальных физических взаимодействий является важным этапом в развитии как классической физики, так и новой, квантовой. Многое открыто, но ещё больше предстоит открыть.

 

Список литературы.

1. Грушевицкая, Т.Г. Концепции современного естествознания [Текст]/ Т.Г. Грушевицкая, А.П. Садохин. — Учеб. пособие-М.:Высш. шк., 1998.-383 с.
2. Найдыш, В.М. Концепции современного естествознания [Текст]/В.М. Найдыш.- Учебник. — Изд. 2-е, перераб. и доп. – М.: Альфа-М; ИНФРА-М, 2004. — 622 с.
3. Дубнищева, Т.Я. Концепции современного естествознания [Текст]/Т.Я. Дубнищева.- Учеб. пособие для студ. вузов. — 5-е изд., перераб. и доп. — М.: Издательский центр «Академия», 2003. — 608 с.