Grundlæggende interaktioner. Den femte grundlæggende interaktion: fakta eller fiktion

At forskellige stoffer indeholder ret mange elementarpartikler, er fundamentale fysiske interaktioner repræsenteret af fire typer: stærk, elektromagnetisk, svag og gravitation. Sidstnævnte anses for at være den mest omfattende.

Alle makrostoffer og mikropartikler, uden undtagelse, er underlagt tyngdekraften. Absolut alle elementarpartikler er udsat for gravitationspåvirkning. Det manifesterer sig i form af universel tyngdekraft. Denne grundlæggende interaktion styrer de mest globale processer, der finder sted i universet. Tyngdekraften giver strukturel stabilitet solsystemet.

Ifølge moderne begreber opstår fundamentale interaktioner på grund af udveksling af partikler. Tyngdekraften dannes gennem udveksling af gravitoner.

Grundlæggende vekselvirkninger - gravitationelle og elektromagnetiske - er af lang rækkevidde i naturen. De tilsvarende kræfter kan manifestere sig over betydelige afstande. Disse grundlæggende interaktioner har deres egne karakteristika.

Beskrevet ved ladninger af samme type (elektriske). I dette tilfælde kan ladningerne have både et positivt og et negativt fortegn. Elektromagnetiske kræfter kan i modsætning til (tyngdekraften) virke som frastødende og tiltrækkende kræfter. Denne interaktion bestemmer de kemiske og fysiske egenskaber af forskellige stoffer, materialer og levende væv. Elektromagnetiske kræfter driver både elektronisk og elektrisk udstyr og forbinder ladede partikler med hinanden.

Grundlæggende interaktioner er kendt ud over en lille kreds af astronomer og fysikere i varierende grader.

På trods af at de er mindre kendte (sammenlignet med andre typer), spiller svage kræfter en vigtig rolle i universets liv. Så hvis der ikke var nogen svag interaktion, ville stjernerne og solen gå ud. Disse kræfter er kortrækkende. Radius er cirka tusind gange mindre end kernekraftens.

Atomkræfter betragtes som de mest magtfulde af alle. Den stærke interaktion bestemmer kun bindingerne mellem hadroner. De nukleare kræfter, der virker mellem nukleoner, er dens manifestation. cirka hundrede gange stærkere end elektromagnetisk. Forskellig fra gravitation (som faktisk fra elektromagnetisk), er det kort rækkevidde i en afstand på mere end 10-15 m. Derudover kan det beskrives ved hjælp af tre ladninger, der danner komplekse kombinationer.

Rækkevidde betragtes som det vigtigste træk ved fundamental interaktion. Aktionsradius er den maksimale afstand, der dannes mellem partikler. Uden for dette kan interaktion negligeres. En lille radius karakteriserer kraften som kortrækkende, en stor radius som langrækkende.

Som nævnt ovenfor betragtes svage og stærke interaktioner som kortdistance. Deres intensitet falder ret hurtigt, efterhånden som afstanden mellem partiklerne øges. Disse interaktioner manifesterer sig på små afstande, der er utilgængelige for perception gennem sanserne. I denne henseende blev disse kræfter opdaget meget senere end de andre (kun i det tyvende århundrede). I dette tilfælde blev der brugt ret komplekse eksperimentelle opsætninger. Gravitations- og elektromagnetiske typer grundlæggende interaktioner betragtes som lang rækkevidde. De er kendetegnet ved et langsomt fald, efterhånden som afstanden mellem partiklerne øges og er ikke udstyret med et begrænset virkningsområde.

I dag vil jeg gerne fortælle dig om grundlæggende kræfter eller interaktioner. Du vil finde ud af, hvad de er, hvor mange der er, og hvorfor de er nødvendige.

Nå, lad os gå!

Hvad er grundlæggende kræfter?

Der er mange fysiske kræfter og interaktioner i vores univers. For eksempel friktionskraft, kernereaktioner og kemiske bindinger. Men alle af dem er sekundære, bortset fra visse fire interaktioner. De kaldes "fundamentale". De er typer af vekselvirkning mellem elementarpartikler og bestemmer alle andre kræfter i naturen.

Allerede i universets begyndelse var der én grundlæggende interaktion. Men det varede ikke længe. Allerede i slutningen af ​​det første sekund efter blev den enkelte grundlæggende kraft opdelt i fire separate vekselvirkninger: stærk, svag, elektromagnetisk og tyngdekraft. Lad os se på dem alle.

Stærk interaktion.

Har du nogensinde undret dig over, hvorfor atomer er flest kemiske elementer stabil? Det ser ud til, at der ikke er noget kompliceret her. Men i 30'erne af forrige århundrede tvang søgningen efter et svar på dette spørgsmål videnskabsmænd til at svede.

Du ved sikkert fra dit skoleforløb i fysik og kemi, at et atom består af to dele: en kerne og elektroner, der roterer omkring det. Kernen består til gengæld af "nukleoner" - protoner og neutroner.

Atomet er elektrisk neutralt. Men i dens kerne er der kun positivt og neutralt ladede partikler - protoner og neutroner. Det er velkendt, at kun modsat ladede kroppe kan tiltrække hinanden - med andre ord "plus" til "minus". Derfor skal protoner og neutroner frastøde hinanden. Men i virkeligheden eksisterer kernens atomer stadig og er ligegyldige. Hvad er årsagen?

"Måske handler det hele om tyngdekraften?" - tænkte fysikerne dengang. Det viste sig ikke. Gravitationsinteraktion, der er den svageste af alle, ville ikke være i stand til at modstå elektromagnetiske kræfter.

Det betyder, at der er nogle nok kraftig kraft binder nukleoner til stabile atomer i kernen. Det kaldes den "stærke interaktion". Det viste sig senere, at det også binder kvarker (repræsentanter for en af ​​grupperne af fundamentale partikler) til sammensatte partikler kaldet "hadroner" - for eksempel de samme protoner og neutroner.

Den stærke interaktion involverer kvarker, hadroner og gluoner. Gluoner har ingen masse og er bærere af den stærke kraft. Quarks udveksler dem og realiserer derved denne grundlæggende kraft.

Den stærke kernekraft er den kraftigste kraft i naturen. Den er tusind gange stærkere end elektromagnetisk og 100.000 gange stærkere end "svag kernekraft", og dens kraft overstiger tyngdekraften med så meget som 10 39 (10 til 39 magt) gange.

Det stærke samspil er brutalt - på grund af det kan videnskabsmænd ikke observere kvarker i en fri stat. Disse stakkels partikler er for evigt fanget i hadroner. Det viste sig, at jo længere kvarkerne er fra hinanden, jo stærkere er deres tiltrækning. Derfor observeres disse partikler aldrig vandrer alene i rummet og eksisterer kun i hadroner.

Elektromagnetisme.

Alle legemer og partikler, der har en elektrisk ladning, deltager i elektromagnetisk interaktion. Der er dog undtagelser - neutrale partikler, men bestående af ladede, kan deltage. Et slående eksempel er en neutron. Den har en neutral ladning, men består af ladede kvarker.

Elektromagnetisk interaktion opstår mellem ladede partikler igennem elektromagnetisk felt. Dens kvante (fundamental partikel) er fotonen - også hele universets trold.

Elektromagnetisme ligger i det faktum, at ladede partikler interagerer med hinanden og udveksler fotoner.

Elektromagnetiske kræfter opstår i form af kræfter af både tiltrækning (et legeme med en positiv ladning tiltrækkes af en negativt ladet) og frastødning.

Denne interaktion spiller en meget vigtig rolle i naturen på grund af dens interaktion. Det bestemmer strukturen af ​​molekyler (kemiske bindinger) og elektroniske skaller i atomer. Derfor handler mange ting om elektromagnetisme.

De fleste af de sædvanlige fysiske kræfter, som Newtons "klassiske mekanik" betragter, er friktionskraft, elasticitet, overfladespænding osv. - have en elektromagnetisk karakter.

Elektromagnetiske kræfter bestemmer også mest fysiske egenskaber makrokosmos kroppe, såvel som deres ændringer under overgangen fra en aggregeringstilstand til en anden. Denne interaktion ligger til grund for elektriske, magnetiske, optiske og kemiske fænomener.

Svage atomkræfter.

Den svage vekselvirkning sker ved afstande meget mindre end atomkernen. Det er svagere end de to grundlæggende kræfter beskrevet ovenfor, men stærkere end tyngdekraften.

Svage nukleare kræfter involverer to grupper af fundamentale partikler (leptoner og kvarker) og hadroner. I processen med svag interaktion udveksler partikler "bærere" - W- og Z-bosoner, som er ret massive i modsætning til masseløse gluoner og fotoner.

Svage nukleare kræfter spiller en vigtig rolle i naturen. Termisk lækage nukleare reaktioner i stjerner skyldes netop denne interaktion. Med andre ord, takket være svage nukleare kræfter, brænder Solen og andre gaslegemer.

Men det er ikke alt. Den svage interaktion er ansvarlig for beta-henfald atomkerner. denne proces er en af ​​tre typer radioaktivitet. Det består i emission af "betapartikler" fra kernen: elektroner eller positroner.

Takket være svag interaktion, den såkaldte "svagt forfald". Det er, når massive partikler opdeles i lettere. Et vigtigt specialtilfælde er henfaldet af en neutron - den kan blive til en proton, elektron og antineutrino.

Alvor.

Universelt fundamentalt samspil. Alle materielle legemer er underlagt det - fra elementære partikler til enorme galakser. Denne grundlæggende kraft er den svageste af alle og kommer til udtryk ved materielle kroppes ønske mod hinanden - tiltrækning.

Tyngdekraften er en langrækkende kraft og styrer de mest globale processer i universet. Takket være det blev stjerner og deres hobe grupperet i galakser. Takket være det dannes gasstjerner i stjernetåger, kolde stenstykker i rummet er grupperet i planeter, og en bold kastet op af dig vil helt sikkert falde ned.

Tyngdekraften har narre fysikere i flere årtier. Det er genstand for en langsigtet konflikt mellem to fysiske hovedteorier: kvantemekanik og relativitet. Men hvorfor?

Faktum er, at den generelle relativitetsteori og kvantefysik er bygget på forskellige principper og beskriver denne grundlæggende kraft på forskellige måder.

Einstein forklarede tyngdekraften som krumningen af ​​rumtiden selv på grund af masserne af materielle legemer. Og kvantefysikken "kvantiserer" det - beskriver det som en interaktion, der har sine egne bærerpartikler. De kaldes "gravitoner".

I kvantemekanikken er rum-tid ikke repræsenteret af en "dynamisk variabel", dvs. afhænger ikke af de kroppe og systemer, der er placeret i den. Og det strider imod relativitetsteorien.

Men det mest overraskende er, at trods grundlæggende forskelle, alle disse to teorier er blevet bevist eksperimentelt. Kvantemekanikken beskriver mikroverdenen perfekt, og relativitetsteorien beskriver universet i en makroskopisk skala.

Nu er der forsøg på at kombinere relativistisk og kvantefysik og beskriv tyngdekraften problemfrit. Derefter vil der blive bygget en "teori om alt", og hovedkandidaten til denne titel er "strengteori", viklet til randen med dens 11 dimensioner.

Nå det er det!

Hvad er grundlæggende interaktioner?

Kendt fire typer interaktioner mellem elementarpartikler: stærk , elektromagnetisk , svag Og gravitationel (de er opført i faldende rækkefølge af intensitet). Intensiteten af ​​interaktion er normalt karakteriseret ved den såkaldte interaktionskonstant α, hvilket er en dimensionsløs parameter, at bestemme sandsynligheden for processer, forårsaget af denne type interaktion. For elektromagnetisk interaktionskonstant:

Hvor E– interaktionsenergi mellem to elektroner placeret i en afstand λ. Derfor,

.

Så har den karakteristiske relation formen:

.

Den elektromagnetiske interaktionskonstant er en dimensionsløs størrelse:

.

Konstanterne for andre typer interaktioner bestemmes i forhold til værdien af ​​den elektromagnetiske interaktionskonstant.

Forholdet mellem konstanterne giver den relative intensitet af de tilsvarende vekselvirkninger.

Stærk interaktion. Denne type interaktion sikrer forbindelsen af ​​nukleoner i kernen. Den stærke interaktionskonstant er i størrelsesordenen 1-10. Længste distance, hvor stærk interaktion opstår (handlingsområde), er ca. m.

Elektromagnetisk interaktion. Interaktionskonstanten er (finstrukturkonstant). Udvalget er ikke begrænset ().

Svag interaktion. Denne interaktion er ansvarlig for alle typer nuklear beta-henfald (inklusive e- fanger), for henfald af elementarpartikler, såvel som for alle processer for interaktion mellem neutronen og stof. Interaktionskonstanten er lig med en værdi af størrelsesordenen 10 –10 – . Den svage interaktion er ligesom den stærke kortrækkende.

Gravitationsinteraktion. Interaktionskonstanten har en værdi af orden. Udvalget er ikke begrænset (). Gravitationsinteraktion er universel, alle elementære partikler uden undtagelse er underlagt det. I mikroverdenens processer spiller gravitationsinteraktion dog ikke en væsentlig rolle. I tabel 1 viser værdierne af konstanten forskellige typer interaktioner, samt den gennemsnitlige levetid for partikler, der henfalder på grund af denne type interaktion (henfaldstid).

Tabel 1

2.2. Grundlæggende interaktioner

Interaktion er hovedårsagen til bevægelse af stof, derfor er interaktion iboende i alle materielle objekter, uanset deres naturlige oprindelse og systemiske organisation. Egenskaberne ved forskellige interaktioner bestemmer eksistensbetingelserne og de specifikke egenskaber af materielle genstande. I alt kendes fire typer af interaktion: gravitationel, elektromagnetisk, stærk og svag.

Gravitationel interaktion var den første af de kendte fundamentale interaktioner, der blev genstand for forskning af videnskabsmænd. Det viser sig i gensidig tiltrækning alle materielle genstande med masse transmitteres gennem gravitationsfeltet og er bestemt af loven om universel gravitation, som blev formuleret af I. Newton

Loven om universel gravitation beskriver materielle legemers fald i Jordens felt, bevægelsen af ​​solsystemets planeter, stjerner osv. Efterhånden som stofmassen øges, øges tyngdekraftens vekselvirkninger. Gravitationsinteraktion er den svageste af alle kendte moderne videnskab interaktioner. Ikke desto mindre bestemmer gravitationsinteraktioner strukturen af ​​hele universet: dannelsen af ​​alle rumsystemer; eksistensen af ​​planeter, stjerner og galakser. Vigtig rolle gravitationsinteraktion er bestemt af dens universalitet: alle legemer, partikler og felter deltager i den.

Bærerne af tyngdekraftens vekselvirkning er gravitoner - kvanter af tyngdefeltet.

Elektromagnetisk interaktion er også universel og eksisterer mellem alle kroppe i mikro-, makro- og megaverdenen. Elektromagnetisk interaktion er forårsaget af elektriske ladninger og transmitteres ved hjælp af elektriske og magnetiske felter. Elektrisk felt forekommer i nærvær af elektriske ladninger, og magnetisk - i bevægelse af elektriske ladninger. Elektromagnetisk vekselvirkning er beskrevet ved: Coulombs lov, Amperes lov osv., og i en generaliseret form - af Maxwells elektromagnetiske teori, der forbinder elektriske og magnetisk felt. Takket være elektromagnetisk interaktion opstår atomer, molekyler og kemiske reaktioner. Kemiske reaktioner repræsenterer en manifestation af elektromagnetiske vekselvirkninger og er resultaterne af omfordelingen af ​​bindinger mellem atomer i molekyler, såvel som antallet og sammensætningen af ​​atomer i molekylerne af forskellige stoffer. Forskellige stoftilstande, elastiske kræfter, friktion osv. bestemmes af elektromagnetisk interaktion. Bærerne af elektromagnetisk interaktion er fotoner - kvanter af det elektromagnetiske felt med nul hvilemasse.

Inde i atomkernen er der stærke og svage vekselvirkninger. Stærk interaktion sikrer forbindelsen af ​​nukleoner i kernen. Denne interaktion er bestemt af kernekræfter, der har ladningsuafhængighed, kortdistanceaktion, mætning og andre egenskaber. Den stærke interaktion holder nukleoner (protoner og neutroner) i kernen og kvarker inde i nukleonerne og er ansvarlig for stabiliteten af ​​atomkerner. Ved hjælp af den stærke vekselvirkning forklarede forskere, hvorfor atomkernens protoner ikke flyver fra hinanden under påvirkning af elektromagnetiske frastødende kræfter. Den stærke interaktion overføres af gluoner - partikler, der "limer" kvarker, som er en del af protoner, neutroner og andre partikler.

Svag interaktion fungerer også kun i mikrokosmos. Alle elementarpartikler undtagen fotonen deltager i denne interaktion. Det er ansvarligt for det meste af henfaldene af elementarpartikler, så dets opdagelse fulgte opdagelsen af ​​radioaktivitet. Den første teori om svag interaktion blev skabt i 1934 af E. Fermi og udviklet i 1950'erne. M. Gell-Man, R. Feynman og andre videnskabsmænd. Bærerne af den svage interaktion anses for at være partikler med en masse 100 gange større end massen af ​​protoner - mellemvektorbosoner.

Karakteristikaene for grundlæggende interaktioner er vist i tabel. 2.1.

Tabel 2.1

Karakteristika for grundlæggende interaktioner

Tabellen viser, at gravitationsinteraktion er meget svagere end andre interaktioner. Dens handlingsområde er ubegrænset. Det spiller ikke en væsentlig rolle i mikroprocesser og er samtidig grundlæggende for objekter med store masser. Elektromagnetisk interaktion er stærkere end gravitationel interaktion, selvom dens handlingsområde også er ubegrænset. Stærke og svage interaktioner har et meget begrænset handlingsområde.

En af de vigtigste opgaver for moderne naturvidenskab er skabelsen af ​​en samlet teori om grundlæggende interaktioner, der forener forskellige typer interaktioner. Skabelsen af ​​en sådan teori ville også betyde konstruktionen af ​​en samlet teori om elementarpartikler.

Interaktion i fysik er påvirkning af kroppe eller partikler på hinanden, hvilket fører til en ændring i deres bevægelse.

Nærhed og langdistancehandling (eller handling på afstand). Der har længe været to synsvinkler i fysikken om, hvordan kroppe interagerer. Den første af dem antog tilstedeværelsen af ​​et eller andet middel (for eksempel æter), hvorigennem en krop overfører sin indflydelse til en anden og med en begrænset hastighed. Dette er teorien om kortdistancehandling. Den anden forudsatte, at samspillet mellem kroppe udføres gennem tom plads, som ikke tager nogen del i overførslen af ​​interaktion, og overførslen sker øjeblikkeligt. Dette er teorien om lang rækkevidde handling. Det så ud til endelig at have vundet efter Newtons opdagelse af loven om universel gravitation. For eksempel mente man, at Jordens bevægelse umiddelbart skulle føre til en ændring i tyngdekraften, der virker på Månen. Ud over Newton selv, blev konceptet langdistancehandling senere overholdt af Coulomb og Ampere.

Efter opdagelsen og undersøgelsen af ​​det elektromagnetiske felt (se Elektromagnetisk felt) blev teorien om langrækkende virkning afvist, da det blev bevist, at interaktionen af ​​elektrisk ladede legemer ikke sker øjeblikkeligt, men med en endelig hastighed ( lige hastighed lys: c = 3 108 m/s), og bevægelsen af ​​en af ​​ladningerne fører til en ændring i de kræfter, der virker på andre ladninger, ikke øjeblikkeligt, men efter nogen tid. En ny teori om kortdistanceinteraktion opstod, som derefter blev udvidet til alle andre typer interaktioner. Ifølge teorien om kortdistancehandling udføres interaktion gennem tilsvarende felter, der omgiver kroppene og kontinuerligt fordelt i rummet (dvs. feltet er det mellemled, der overfører en krops handling til en anden). Samspillet mellem elektriske ladninger - gennem et elektromagnetisk felt, universel tyngdekraft- gennem gravitationsfeltet.

I dag kender fysikken fire typer fundamentale interaktioner, der findes i naturen (i rækkefølge af stigende intensitet): gravitationelle, svage, elektromagnetiske og stærke interaktioner.

Fundamentale interaktioner er dem, der ikke kan reduceres til andre typer interaktioner.

Fundamentale interaktioner er forskellige i intensitet og rækkevidde (se tabel 1.1). Aktionsradius er den maksimale afstand mellem partikler, ud over hvilken deres interaktion kan negligeres.

I henhold til aktionsradius opdeles fundamentale interaktioner i lang rækkevidde (gravitationel og elektromagnetisk) og kort rækkevidde (svag og stærk) (se tabel 1.1).

Gravitationsinteraktion er universel: alle kroppe i naturen deltager i den - fra stjerner, planeter og galakser til mikropartikler: atomer, elektroner, kerner. Dens handlingsområde er uendelig. Men både for elementarpartikler i mikroverdenen og for objekterne i makroverdenen, der omgiver os, er tyngdekraftens interaktionskræfter så små, at de kan negligeres (se tabel 1.1). Det bliver mærkbart med en stigning i massen af ​​interagerende legemer og bestemmer derfor himmellegemernes adfærd og stjernernes dannelse og udvikling.

Svag interaktion er iboende i alle elementarpartikler undtagen fotonen. Det er ansvarligt for de fleste nukleare henfaldsreaktioner og mange transformationer af elementarpartikler.

Elektromagnetisk interaktion bestemmer stoffets struktur, forbinder elektroner og kerner i atomer og molekyler, kombinerer atomer og molekyler til forskellige stoffer. Det bestemmer kemisk og biologiske processer. Elektromagnetisk interaktion er årsagen til sådanne fænomener som elasticitet, friktion, viskositet, magnetisme og udgør karakteren af ​​de tilsvarende kræfter. På bevægelse af makroskopiske elektrisk neutrale kroppe det betydelig indflydelse giver ikke.

Den stærke interaktion sker mellem hadroner, som er det, der holder nukleonerne i kernen.

I 1967 skabte Sheldon Glashow, Abdus Salam og Steven Weinberg en teori, der kombinerer de elektromagnetiske og svage kræfter til en enkelt elektrosvag kraft med en rækkevidde på 10-17 m, inden for hvilken skelnen mellem de svage og elektromagnetiske vekselvirkninger forsvinder.

I øjeblikket er teorien om storslået forening blevet fremsat, ifølge hvilken der kun er to typer interaktioner: forenet, som omfatter stærke, svage og elektromagnetiske interaktioner, og gravitationsinteraktion.

Der er også en antagelse om, at alle fire interaktioner er særlige tilfælde af manifestationen af ​​en enkelt interaktion.

I mekanikken er kroppes gensidige påvirkning af hinanden karakteriseret ved kraft (se Kraft). Mere generel karakteristik interaktion er potentiel energi(se Potentiel energi).

Kræfter i mekanik er opdelt i tyngdekraft, elastisk og friktionskraft. Som nævnt ovenfor er karakteren af ​​mekaniske kræfter bestemt af gravitationelle og elektromagnetiske interaktioner. Kun disse interaktioner kan betragtes som kræfter i Newtonsk mekaniks forstand. Stærke (nukleare) og svage vekselvirkninger manifesterer sig på så små afstande, at Newtons mekaniklove, og med dem begrebet mekanisk kraft, bliver meningsløse. Derfor bør udtrykket "kraft" i disse tilfælde opfattes som "interaktion".