Фундаментальные взаимодействия. Пятое фундаментальное взаимодействие: правда или вымысел

Что в различных веществах содержится достаточно много элементарных частиц, фундаментальные физические взаимодействия представлены четырьмя типами: сильным, электромагнитным, слабым и гравитационным. Последнее считается самым всеобъемлющим.

Гравитации подвержены все макротела и микрочастицы без исключения. Гравитационному воздействию подвергаются абсолютно все элементарные частицы. Проявляется оно в форме всемирного тяготения. Это фундаментальное взаимодействие управляет самыми глобальными процессами, происходящими во Вселенной. Гравитация обеспечивает структурную стабильность Солнечной системы.

В соответствии с современными представлениями, фундаментальные взаимодействия возникают вследствие обмена частицами. Гравитация формируется посредством обмена гравитонами.

Фундаментальные взаимодействия - гравитационное и электромагнитное - являются по природе своей дальнодействующими. Соответствующие им силы могут проявиться на значительных расстояниях. Указанные фундаментальные взаимодействия при этом имеют свои особенности.

Описано однотипными зарядами (электрическими). При этом заряды могут иметь как положительный, так отрицательный знак. Электромагнитные силы, в отличие от (гравитации), могут выступать в качестве сил отталкивания и притяжения. Данным взаимодействием обуславливаются химические и физические свойства различных веществ, материалов, живой ткани. Электромагнитные силы приводят в действие и электронную и электрическую аппаратуру, связывая при этом между собой заряженные частицы.

Фундаментальные взаимодействия известны за пределами узкого круга астрономов и физиков в разной степени.

Несмотря на меньшую известность (в сравнении с прочими типами), слабые силы играют важную роль в жизни Вселенной. Так, если бы не было слабого взаимодействия, то погасли бы звезды, Солнце. Эти силы относятся к короткодействующим. Радиус приблизительно в тысячу раз меньше, чем у сил ядерных.

Ядерные силы считаются самыми мощными из прочих. Сильным взаимодействием определяются связи только между адронами. Действующие в между нуклонами ядерные силы являются его проявлением. приблизительно в сто раз мощнее электромагнитного. Отличаясь от гравитационного (как, собственно, и от электромагнитного), оно является короткодействующим на расстоянии, которое больше 10-15 м. Кроме того, описание его возможно при помощи трех зарядов, формирующих сложные сочетания.

Радиус действия считается важнейшим признаком фундаментального взаимодействия. Радиусом действия называют максимальное расстояние, которое образуется между частицами. За его рамками взаимодействием можно пренебречь. Малый радиус характеризует силу как короткодействующую, большой радиус - как дальнодействующую.

Как уже отмечалось выше, слабые и сильные взаимодействия считаются короткодействующими. Интенсивность их убывает достаточно быстро при увеличении между частицами расстояния. Указанные взаимодействия проявляются на небольших, недоступных для восприятия посредством органов чувств расстояниях. В связи с этим, данные силы были открыты значительно позже остальных (только в двадцатом столетии). При этом были применены достаточно сложные экспериментальные установки. Гравитационные и электромагнитные виды фундаментальных взаимодействий считаются дальнодействующими. Они отличаются медленным убыванием при увеличении между частицами расстояния и не наделены конечным радиусом действия.

Сегодня мне хочется рассказать Вам о фундаментальных силах или взаимодействиях. Вы узнаете, что это вообще такое, сколько их и зачем они нужны.

Ну что, поехали!

Что такое фундаментальные силы?

В нашей Вселенной существует множество физических сил и взаимодействий. Например, сила трения, ядерные реакции и химические связи. Но все они вторичны, кроме неких четырёх взаимодействий. Их и называют "фундаментальными". Они являются типами взаимодействия элементарных частиц и определяют все остальные силы в природе.

В самом начале жизни Вселенной было одно фундаментальное взаимодействие. Но так продлилось недолго. Уже к концу первой секунды после единая фундаментальная сила разделилась на четыре отдельных взаимодействия: сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное. Рассмотрим их всех.

Сильное взаимодействие.

Вы никогда не задумывались, почему атомы большинства химических элементов стабильны? Казалось бы, что тут сложного. Однако, в 30-х годах прошлого века, поиск ответа на данный вопрос заставил учёных попотеть.

Из школьного курса физики и химии Вам наверняка известно, что атом состоит из двух частей: ядра и вращающихся вокруг него электронов. Ядро, в свою очередь, состоит из "нуклонов" - протонов и нейтронов.

Атом электрически нейтрален. Но в его ядре есть только положительно и нейтрально заряженные частицы - протоны и нейтроны. Общеизвестно, что притягиваться друг к другу могут только разноимённо заряженные тела - иными словами, "плюс" к "минусу". Следовательно, протоны и нейтроны должны отталкиваться друг от друга. Однако в реальности атомы ядра таки существуют и в ус не дуют. В чём же причина?

"Может быть, всё дело в гравитации?" - подумали тогда физики. Оказалось, что нет. Гравитационное взаимодействие, будучи самым слабым из всех, не могло бы противостоять электромагнитным силам.

Значит, существует некая достаточно мощная сила, связывающая нуклоны в стабильные атомы ядра. Её и называют "сильным взаимодействием". Впоследствии выяснилось, что оно также связывает кварки (представителей одной из групп фундаментальных частиц) в составные частицы под названием "адроны" - например, те же протоны и нейтроны.

В сильном взаимодействии участвуют кварки, адроны и глюоны. Глюоны не обладают массой и являются переносчиками сильного взаимодействия. Ими обмениваются кварки и тем самым реализуют эту фундаментальную силу.

Сильное ядерное взаимодействие является самым мощным в природе. Оно в тысячу раз сильнее электромагнитного и в 100.000 раз - "слабого ядерного", а гравитацию превосходит по мощи аж в 10 39 (10 в 39 степени) раз.

Сильное взаимодействие жестокое - из-за него учёные не могут наблюдать кварки в свободном состоянии. Эти бедные частицы навеки заключены в адроны. Оказалось, что чем дальше кварки друг от друга, тем сильнее они притягиваются. Поэтому данные частицы никогда не наблюдаются одиноко блуждающими по пространству и существуют только в адронах.

Электромагнетизм.

В электромагнитном взаимодействии участвуют все тела и частицы, которые обладают электрическим зарядом. Однако, есть и исключения - могут участвовать нейтральные частицы, но состоящие из заряженных. Ярким примером является нейтрон. Он обладает нейтральным зарядом, но состоит из заряженных кварков.

Электромагнитное взаимодействие осуществляется между заряженными частицами посредством электромагнитного поля. Его квантом (фундаментальной частицей) является фотон - по совместительству, тролль всея мироздания.

Электромагнетизм и заключается в том, что заряженные частицы взаимодействуют друг с другом, обмениваясь фотонами.

Электромагнитные силы появляются в виде сил и притяжения (тело с положительным зарядом притягивается к отрицательно заряженному), и отталкивания.

Данное взаимодействие играет очень важную роль в природе за счёт своего взаимодействия. Оно определяет структуру молекул (химические связи) и электронных оболочек в атомах. Поэтому к электромагнетизму сводится очень много вещей.

Большинство привычных физических сил, которые рассматривает "классическая механика" Ньютона - сила трения, упругости, поверхностного натяжения и т.д. - имеют электромагнитную природу.

Электромагнитные силы также определяют большую часть физических свойств тел макромира, а также их изменение при переходе из одного агрегатного состояния в другое. Данное взаимодействие лежит в основе электрических, магнитных, оптических и химических явлений.

Слабые ядерные силы.

Слабое взаимодействие проявляется на расстояниях, значительно меньше атомного ядра. Оно слабее двух вышеописанных фундаментальных сил, но сильнее гравитации.

В слабых ядерных силах участвуют две группы фундаментальных частиц (лептоны и кварки) и адроны. В процессе слабого взаимодействия частицы обмениваются "переносчиками" - W- и Z-бозонами, которые довольно массивны, в отличие от безмассовых глюонов и фотонов.

Слабые ядерные силы играют важную роль в природе. Протекание термоядерных реакций в звёздах обусловлено именно данным взаимодействием. Иными словами, благодаря слабым ядерным силам горит Солнце и другие газовые светила.

Но это ещё не всё. Слабое взаимодействие ответственно за бета-распад атомных ядер. Данный процесс является одним из трёх видов радиоактивности. Он заключается в испускании ядром "бета-частиц": электронов или позитронов.

Благодаря слабому взаимодействию происходит т.н. "слабый распад". Это когда массивные частицы разделяются на более лёгкие. Важным частным случаем является распад нейтрона - он способен превратится в протон, электрон и антинейтрино.

Гравитация.

Универсальное фундаментальное взаимодействие. Ему подвержены все материальные тела - от элементарных частиц до громадных галактик. Данная фундаментальная сила является самой слабой из всех и выражается стремлением материальных тел друг к другу - притяжением.

Гравитация является дальнодействующей силой и управляет наиболее глобальными процессами во Вселенной. Благодаря ей звёзды и их скопления сгруппировались в галактики. Благодаря ей в туманностях формируются газовые светила, холодные куски камня в космосе группируются в планеты, а мячик, брошенный Вами вверх, обязательно упадёт вниз.

Гравитация морочит головы физиков уже несколько десятилетий. Она является предметом многолетнего конфликта двух основных физических теорий: квантовой механики и теории относительности. Но почему?

Дело в том, что общая теория относительности и квантовая физика построены на разных принципах и описывают данную фундаментальную силу по-разному.

Эйнштейн объяснил гравитацию как искривление самого пространства-времени из-за масс материальных тел. А квантовая физика "квантует" её - описывает как взаимодействие, у которого есть свои частицы-переносчики. Их называют "гравитонами".

В квантовой механике пространство-время не представлено "динамической переменной", т.е. не зависит от находящихся в нём тел и систем. А это вразрез идёт с теорией относительности.

Но что самое удивительное - несмотря на принципиальные различия, все эти две теории доказаны экспериментально. Квантовая механика прекрасно описывает микромир, а теория относительности - Вселенную в макроскопических масштабах.

Сейчас идут попытки объединить релятивистскую и квантовую физику и беспроблемно описать гравитацию. Тогда будет построена "теория всего", и главным кандидатом на получение данного титула является "теория струн", запутанная в край своими 11-ю измерениями.

Ну вот и всё!

Что такое фундаментальные взаимодействия?

Известны четыре вида взаимодействий между элементарными частицами: сильное , электромагнитное , слабое и гравитационное (они перечислены в порядке убывания интенсивности). Интенсивность взаимодействия принято характеризовать так называемой константой взаимодействия α, которая представляет собой безразмерный параметр , определяющий вероятность процессов , обусловленных данным видом взаимодействия . Для электромагнитного взаимодействия константа:

где Е – энергия взаимодействия двух электронов, находящихся на расстоянии λ. Следовательно,

.

Тогда характеристическое отношение имеет вид:

.

Константа электромагнитных взаимодействий – безразмерная величина:

.

Константы других видов взаимодействий определяют относительно значения константы электромагнитного взаимодействия.

Отношение констант даёт относительную интенсивность соответствующих взаимодействий.

Сильное взаимодействие. Этот вид взаимодействия обеспечивает связь нуклонов в ядре. Константа сильного взаимодействия имеет величину порядка 1–10. Наибольшее расстояние, на котором проявляется сильное взаимодействие (радиус действия), составляет примерно м.

Электромагнитное взаимодействие. Константа взаимодействия равна (константа тонкой структуры). Радиус действия не ограничен ().

Слабое взаимодействие. Это взаимодействие ответственно за все виды β-распада ядер (включая e - захваты), за распады элементарных частиц, а также за все процессы взаимодействия нейтрона с веществом. Константа взаимодействия равна величине порядка 10 –10 – . Слабое взаимодействие, как и сильное, является короткодействующим.

Гравитационное взаимодействие. Константа взаимодействия имеет значение порядка . Радиус действия не ограничен (). Гравитационное взаимодействие является универсальным, ему подвержены все без исключения элементарные частицы. Однако в процессах микромира гравитационное взаимодействие ощутимой роли не играет. В табл. 1 приведены значения константы разных видов взаимодействия, а также среднее время жизни частиц, распадающихся за счёт данного вида взаимодействия (время распада).

Таблица 1

2.2. Фундаментальные взаимодействия

Взаимодействие – основная причина движения материи, поэтому взаимодействие присуще всем материальным объектам независимо от их природного происхождения и системной организации. Особенности различных взаимодействий определяют условия существования и специфику свойств материальных объектов. Всего известно четыре вида взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое.

Гравитационное взаимодействие первым из известных фундаментальных взаимодействий стало предметом исследования ученых. Оно проявляется во взаимном притяжении любых материальных объектов, имеющих массу, передается посредством гравитационного поля и определяется законом всемирного тяготения, который был сформулирован И. Ньютоном

Закон всемирного тяготения описывает падение материальных тел в поле Земли, движение планет Солнечной системы, звезд и т. п. По мере увеличения массы вещества гравитационные взаимодействия возрастают. Гравитационное взаимодействие – наиболее слабое из всех известных современной науке взаимодействий. Тем не менее гравитационные взаимодействия определяют строение всей Вселенной: образование всех космических систем; существование планет, звезд и галактик. Важная роль гравитационного взаимодействия определяется его универсальностью: все тела, частицы и поля участвуют в нем.

Переносчиками гравитационного взаимодействия являются гравитоны – кванты гравитационного поля.

Электромагнитное взаимодействие также является универсальным и существует между любыми телами в микро-, макро– и мегамире. Электромагнитное взаимодействие обусловлено электрическими зарядами и передается с помощью электрического и магнитного полей. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное – при движении электрических зарядов. Электромагнитное взаимодействие описывается: законом Кулона, законом Ампера и др. и в обобщенном виде – электромагнитной теорией Максвелла, связывающей электрическое и магнитное поля. Благодаря электромагнитному взаимодействию возникают атомы, молекулы и происходят химические реакции. Химические реакции представляют собой проявление электромагнитных взаимодействий и являются результатами перераспределения связей между атомами в молекулах, а также количества и состава атомов в молекулах разных веществ. Различные агрегатные состояния вещества, силы упругости, трения и т. д. определяются электромагнитным взаимодействием. Переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны – кванты электромагнитного поля с нулевой массой покоя.

Внутри атомного ядра проявляются сильные и слабые взаимодействия. Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре. Данное взаимодействие определяется ядерными силами, обладающими зарядовой независимостью, короткодействием, насыщением и другими свойствами. Сильное взаимодействие удерживает нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре и кварки внутри нуклонов и отвечает за стабильность атомных ядер. С помощью сильного взаимодействия ученые объяснили, почему протоны ядра атома не разлетаются под действием электромагнитных сил отталкивания. Сильное взаимодействие передается глюонами – частицами, «склеивающими» кварки, которые входят в состав протонов, нейтронов и других частиц.

Слабое взаимодействие также действует только в микромире. В этом взаимодействии участвуют все элементарные частицы, кроме фотона. Оно обусловливает большинство распадов элементарных частиц, поэтому его открытие произошло вслед за открытием радиоактивности. Первая теория слабого взаимодействия была создана в 1934 г. Э. Ферми и развита в 1950-е гг. М. Гелл-Маном, Р. Фейнманом и другими учеными. Переносчиками слабого взаимодействия принято считать частицы с массой в 100 раз больше массы протонов – промежуточные векторные бозоны.

Характеристики фундаментальных взаимодействий представлены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Характеристики фундаментальных взаимодействий

Из таблицы видно, что гравитационное взаимодействие гораздо слабее других взаимодействий. Радиус его действия неограничен. Оно не играет существенной роли в микропроцессах и в то же время является основным для объектов с большими массами. Электромагнитное взаимодействие сильнее гравитационного, хотя радиус его действия также неограничен. Сильное и слабое взаимодействия имеют очень ограниченный радиус действия.

Одна из важнейших задач современного естествознания – создание единой теории фундаментальных взаимодействий, объединяющей различные виды взаимодействия. Создание подобной теории означало бы также построение единой теории элементарных частиц.

Взаимодействие в физике - это воздействие тел или частиц друг на друга, приводящее к из­менению их движения.

Близкодействие и дальнодействие (или действие на расстоянии). О том, как осуществляется взаимодействие тел, в физике издавна существовали две точки зрения. Первая из них предпола­гала наличие некоторого агента (например, эфира), через который одно тело передает свое влия­ние на другое, причем с конечной скоростью. Это теория близкодействия. Вторая предполагала, что взаимодействие между телами осуществляется через пустое пространство, не принимающее никакого участия в передаче взаимодействия, причем передача происходит мгновенно. Это тео­рия дальнодействия. Она, казалось бы, окончательно победила после открытия Ньютоном зако­на всемирного тяготения. Так, например, считалось, что перемещение Земли должно сразу же приводить к изменению силы тяготения, действующей на Луну. Кроме самого Ньютона, позднее концепции дальнодействия придерживались Кулон и Ампер.

После открытия и исследования электромагнитного поля (см.Электромагнитное поле) тео­рия дальнодействия была отвергнута, так как было доказано, что взаимодействие электрически заряженных тел осуществляется не мгновенно, а с конечной скоростью (равной скорости света: с = 3 108 м/с) и перемещение одного из зарядов приводит к изменению сил, действующих на дру­гие заряды, не мгновенно, а спустя некоторое время. Возникла новая теория близкодействия, которая была затем распространена и на все другие виды взаимодействий. Согласно теории близ­кодействия взаимодействие осуществляется посредством соответствующих полей, окружающих тела и непрерывно распределенных в пространстве (т. е. поле является тем посредником, который передает действие одного тела на другое). Взаимодействие электрических зарядов - посредством электромагнитного поля, всемирное тяготение - посредством гравитационного поля.

На сегодняшний день физике известны четыре типа фундаментальных взаимодействий, существующих в природе (в порядке возрастания интенсивности): гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное взаимодействия.

Фундаментальными называются взаимодействия, которые нельзя свести к другим типам вза­имодействий.

Фундаментальные взаимодействия отличаются интенсивностью и радиусом действия (см. табл. 1.1). Под радиусом действия понимают максимальное расстояние между частица­ми, за пределами которого их взаимодействием можно пренебречь.

По радиусу действия фундаментальные взаимодействия делятся надальнодействуюгцие {гра­витационное и электромагнитное) икороткодействующие (слабое и сильное) (см. табл. 1.1).

Гравитационное взаимодействие универсально: в нем участвуют все тела в природе - от звезд, планет и галактик до микрочастиц: атомов, электронов, ядер. Его радиус действия равен бесконеч­ности. Однако как для элементарных частиц микромира, так и для окружающих нас предметов макромира силы гравитационного взаимодействия настолько малы, что ими можно пренебречь (см. табл. 1.1). Оно становится заметным с увеличением массы взаимодействующих тел и потому определяющим в поведении небесных тел и образовании и эволюции звезд.

Слабое взаимодействие присуще всем элементарным частицам, кроме фотона. Оно отвечает за большинство ядерных реакций распада и многие превращения элементарных частиц.

Электромагнитное взаимодействие определяет структуру вещества, связывая электроны и ядра в атомах и молекулах, объединяя атомы и молекулы в различные вещества. Оно определяет хими­ческие и биологические процессы. Электромагнитное взаимодействие является причиной таких явлений, как упругость, трение, вязкость, магнетизм и составляет природу соответствующих сил. На движение макроскопических электронейтральных тел оно существенного влияния не оказывает.

Сильное взаимодействие осуществляется между адронами, именно оно удерживает нуклоны в ядре.

В 1967 г. Шелдон Глэшоу, Абдус Салам и Стивен Вайнберг создали теорию, объединяющую электромагнитное и слабое взаимодействия в единое электрослабое взаимодействие с радиусом действия 10~17 м, в пределах которого исчезает различие между слабым и электромагнитным вза­имодействиями.

В настоящее время выдвинута теория великого объединения, согласно которой существуют лишь два типа взаимодействий: объединенное, куда входятсильное, слабое и электромагнитное взаимодействия, и гравитационное взаимодействие.

Есть также предположение, что все четыре взаимодействия являются частными случаями про­явления единого взаимодействия.

В механике взаимное действие тел друг на друга характеризуется силой (см.Сила). Более общей характеристикой взаимодействия является потенциальная энергия (см. Потенциальная энергия).

Силы в механике делятся на гравитационные, упругости и трения. Как уже упоминалось выше, природа механических сил обусловлена гравитационным и электромагнитным взаимодейс­твиями. Только эти взаимодействия можно рассматривать как силы в смысле механики Ньютона. Сильные (ядерные) и слабые взаимодействия проявляются на таких малых расстояниях, при ко­торых законы механики Ньютона, а вместе с ними и понятие механической силы теряют смысл. Поэтому термин «сила» в этих случаях следует воспринимать как «взаимодействие».