Взаимодействия і сили у природі

Взаимодействия і сили у природе

Введение

Современные досягнення фізики високих енергій дедалі більше зміцнюють уявлення, що розмаїття властивостей Природи зумовлено взаємодіючими елементарними частинками. Дати неформальне визначення елементарної частки, очевидно, неможливо, оскільки йдеться про самих первинних елементах матерії. На якісному рівні можна говорити, що насправді елементарними частинками називаються фізичні об'єкти, які мають складових частин.

Очевидно, що питання елементарності фізичних об'єктів — це у першу чергу питання експериментальний. Наприклад, експериментально встановлено, що молекули, атоми, атомні ядра мають внутрішню структуру, який вказує на наявність складових частин. Тому не можна вважати елементарними частинками. Порівняно нещодавно відкрито, такі частки, як мезони і барионы, також мають внутрішньої структурою і, отже, є елементарними. У той самий час у електрона внутрішню структуру будь-коли спостерігалася, і, отже, може бути зарахувати до елементарним частинкам. Іншим прикладом елементарної частки є квант світла — фотон.

Современные експериментальні дані свідчать, що чотири якісно відмінні види взаємодій, у яких беруть участь елементарні частки. Ці взаємодії називаються фундаментальними, тобто найбільш основними, вихідними, первинними. Якщо прийняти це враховувати всі розмаїття властивостей навколишнього нас Миру, то здається найдивовижнішим, що у Природі є лише чотири фундаментальних взаємодії, відповідальних на явища Природи.

Помимо якісних відмінностей, фундаментальні взаємодії відрізняються в кількісному плані за силою впливу, що характеризується терміном інтенсивність. У міру збільшення інтенсивності фундаментальні взаємодії містяться у наступному порядку: гравітаційне, слабке, електромагнітне і сильне. Кожна з цих взаємодій характеризується відповідним параметром, званим константою зв’язку, чисельна значення визначає інтенсивність взаємодії.

Каким чином фізичні об'єкти здійснюють фундаментальні взаємодії між собою? На якісному рівні у відповідь це запитання виглядає так. Фундаментальні взаємодії переносяться квантами.

При цьому квантової області фундаментальним взаємодіям відповідають відповідні елементарні частки, звані елементарними частинками — переносниками взаємодій. У процесі взаємодії фізичний об'єкт випускає частки — переносники взаємодії, які поглинаються іншим фізичним об'єктом. Це призводить до того що, що об'єкти хіба що відчувають одне одного, їхня енергія, характер руху, стан змінюються, тобто вони відчувають взаємовпливи.

В сучасної фізиці високих енергій дедалі більше значення набуває ідея об'єднання фундаментальних взаємодій. Згідно з ідеями об'єднання, в Природі існує одна єдине фундаментальне взаємодія, виявляючи себе у конкретних ситуаціях як гравітаційне, чи як слабке, чи як електромагнітне, чи як сильне, чи як його деяка комбінація. Успішній реалізацією ідей об'єднання послужило створення яке стало стандартної об'єднаної теорії електромагнітних і слабких взаємодій. Йде робота з розвитку єдиної теорії електромагнітних, слабких і сильних взаємодій, що отримала назву теорії великого об'єднання. Робляться спроби знайти принцип об'єднання всіх чотирьох фундаментальних взаимодействий.

Сила тяжести

Силой тяжкості називають рівнодіючу двох сил — сили ньютоновского тяжіння всієї масою Землі та відцентровій сили, виникає внаслідок добового обертання Землі. Віднесені до одиниці маси, ці сили характеризуються ускорениями сили тяжкості g=F/m, ньютоновского тяжіння f=Fн/m і відцентровим P=P/m. Прискорення сили тяжкості одно геометричній сумі прискорення притягування й відцентрового прискорення. Зазвичай, у гравиметрии, коли говорять «тяжкість », розуміють саме прискорення сили тяжести.

Гравитационное взаимодействие

Это взаємодія носить універсальному характері, у ньому беруть участь всі види матерії, всі об'єкти природи, все елементарні частки! Узвичаєна класичної (не квантової) теорією гравітаційного взаємодії є эйнштейновская загальна теорія відносності. Гравітація визначає рух планет в зоряних системах, відіграє у процесах, що протікають в зірках, управляє еволюцією Всесвіту, в земних умовах поводиться як сила взаємного тяжіння. Звісно, окреслили лише мало прикладів величезного списку ефектів гравітації.

Согласно загальної теорії відносності, гравітація пов’язані з кривизною простору-часу і описується в термінах так званої римановой геометрії. Нині все експериментальні й спостережні даних про гравітації укладаються у рамки загальної теорії відносності. Проте даних про сильних гравітаційних полях сутнісно відсутні, тому експериментальні аспекти цієї теорії є багато питань. Така ситуація породжує поява різних альтернативних теорій гравітації, передбачення яких практично не від пророцтв загальної теорії відносності для фізичних ефектів в Сонячну систему, але ведуть решти слідством в сильних гравітаційних полях.

Если знехтувати усіма релятивістськими ефектами і обмежитися слабкими стаціонарними гравітаційними полями, то загальна теорія відносності зводиться до ньютоновской теорію всесвітнього тяжіння. І тут, як відомо, потенційна енергія взаємодії двох точкових часток отримують за масами m1 і m2 дається співвідношенням.

.

где r — відстань між частинками, G — ньютоновская гравітаційна стала, яка відіграє роль константи гравітаційного взаємодії. Дане співвідношення показує, що потенційна енергія взаємодії V® відрізняється від нуля при будь-якому кінцевому r і спадає нанівець надто повільно. Через це кажуть, що гравітаційна взаємодія є дальнодействующим.

Из багатьох фізичних пророцтв загальної теорії відносності відзначимо три. Теоретично встановлено, що гравітаційні обурення можуть у просторі як хвиль, званих гравітаційними.

Распространяющиеся слабкі гравітаційні обурення багато в чому аналогічні електромагнітним хвилях. Їх швидкість дорівнює швидкості світла, вони теж мають два стану поляризації, їм характерні явища інтерференції і дифракції. Проте внаслідок надзвичайно слабкого взаємодії гравітаційних хвиль з речовиною їх пряме експериментальне спостереження досі був можливо. Проте дані деяких астрономічних спостережень з тимчасової втрати енергії в системах подвійних зірок свідчить про можливе існування гравітаційних хвиль у природі.

Теоретическое дослідження умов рівноваги зірок у межах загальної теорії відносності показує, що з певних умов досить масивні зірки можуть розпочати катастрофічно стискатися. Це виявляється можливим досить пізніх стадіях еволюції зірки, коли внутрішнє тиск, обумовлене процесами, відповідальними за світність зірки, неспроможна врівноважити тиск сил тяжіння, прагнуть стиснути зірку. Через війну процес стискування вже може бути зупинено. Описане фізичне явище, передбачене теоретично у межах загальної теорії відносності, одержало назву гравітаційного колапсу. Дослідження засвідчили, що й радіус зірки дедалі менше з так званого гравітаційного радіуса.

Rg = 2GM / c2,.

где M — маса зірки, а з — швидкість світла, то тут для зовнішнього спостерігача зірка гасне. Ніяка інформацію про процесах, що у цієї зірці, неспроможна досягти зовнішнього спостерігача. У цьому тіла, падаючі на зірку, вільно перетинають гравітаційний радіус. Якщо ролі такого тіла мається на увазі спостерігач, то нічого, крім посилення гравітації, не помітить. Отже, виникає область простору, у якому потрапиш, але з якої щось може вийти, включаючи світловий промінь. Така область простору називається чорної дірою. Існування чорних дір одна із теоретичних пророцтв загальної теорії відносності, деякі альтернативні теорії гравітації побудовано у такий спосіб, що вони забороняють подібного типу явища. У зв’язку з цим питання реальності чорних дір має виключно важливого значення. У цей час є спостережні дані, які свідчать про наявності чорних дір у Вселенной.

В рамках загальної теорії відносності вперше це вдалося сформулювати проблему еволюції Всесвіту. Тим самим було Всесвіт загалом стає предметом спекулятивних міркувань, а об'єктом фізичної науки. Розділ фізики, предметом якого є Всесвіт загалом, називається космологією. У час вважається твердо встановленим, що ми живемо в розширення Всесвіту.

Современная картина еволюції Всесвіту полягає в думці, що Всесвіт, зокрема такі її атрибути, як простір та палестинці час, виникла результаті особливого фізичного явища, званого Великим Вибухом, і відтоді розширюється. Відповідно до теорії еволюції Всесвіту, відстані між далекими галактиками повинні збільшуватися згодом, і весь Всесвіт мусить бути заповнена тепловим випромінюванням з температурою порядку 3 K. Ці передбачення теорії перебувають у прекрасному відповідність до даними астрономічних спостережень. У цьому оцінки показують, що вік Всесвіту, тобто час, що минув від моменту Великого Вибуху, становить близько 10 млрд років. Що стосується деталей Великого Вибуху, це явище слабко вивчено і можна говорити про загадки Великого Вибуху як і справу виклик фізичної науці загалом. Ймовірно, що пояснення механізму Великого Вибуху пов’язані з новими, поки що невідомими законами Природи. Загальноприйнятий сучасний погляд щодо можливості розв’язання проблеми Великого Вибуху полягає в ідеї об'єднання теорії гравітації і квантової механики.

Слабое взаимодействие

Это взаємодія є найслабшою з фундаментальних взаємодій, експериментально можна побачити в розпадах елементарних частинок, де принципово суттєвими є квантові ефекти. Нагадаємо, що квантові прояви гравітаційного взаємодії будь-коли спостерігалися. Слабка взаємодія виділяється з допомогою наступного правила: тоді як процесі взаємодії бере участь елементарна частка, звана нейтрино (чи антинейтрино), то дане взаємодія є слабым.

Слабое взаємодія набагато інтенсивніше гравитационного.

Слабое взаємодія на відміну гравітаційного є короткодействующим. Це означає, що слабке взаємодія між частинками починає діяти, лише коли частки перебувають досить близько друг до друга. Якщо ж відстань між частинками перевершує деяку величину, звану характерним радіусом взаємодії, слабке взаємодія не поводиться. Експериментально встановлено, що характерний радіус слабкого взаємодії порядку 10−15 див, тобто слабке взаємодія, зосереджений на відстанях менше розмірів атомного ядра.

Почему можна казати про слабкій взаємодії як і справу незалежному вигляді фундаментальних взаємодій? Відповідь проста. Встановлено, що є процеси перетворень елементарних частинок, які зводяться до гравітаційних, електромагнітним і сильним взаємодіям. Добрим прикладом, що складає, що є три якісно різних взаємодії ядерних явищах, пов’язані з радіоактивністю. Експерименти свідчить про наявність різних видів радіоактивності: a-, b і g-радиоактивных распадов. У цьому a-распад обумовлений сильним взаємодією, g-распад — електромагнітним. Залишившись b-распад не може бути пояснений електромагнітним і сильним взаємодіями, і змушені прийняти, що є ще одне фундаментальне взаємодія, що його слабким. У загальному разі необхідність запровадження слабкого взаємодії зумовлена тим, що у природі відбуваються процеси, у яких електромагнітні і традиційно сильні розпади заборонені законами збереження.

Хотя слабке взаємодія істотно зосереджено всередині ядра, він має певні макроскопічні прояви. Як ми вже відзначали, пов’язане з процесом b-радиоактивности. З іншого боку, слабке взаємодія відіграє винятково важливу роль про термоядерних реакціях, відповідальних за механізм энерговыделения в звездах.

Удивительнейшим властивістю слабкого взаємодії є існування процесів, у яких проявляється дзеркальна асиметрія. На перший погляд видається очевидним, що відмінність між поняттями ліве та праве умовна. Справді, процеси гравітаційного, електромагнітного та образу сильної взаємодії инвариантны щодо просторової інверсії, здійснює дзеркальне відображення. Кажуть, що у таких процесах зберігається просторова парність P. Проте експериментально встановлено, що слабкі процеси можуть протікати з несохранением просторової парності і, отже, хіба що відчувають відмінність між лівим і правих. Нині є тверді експериментальні докази, що незберігання парності в слабких взаємодію носить універсальному характері, воно поводиться у розпадах елементарних частинок, а й у ядерних і навіть атомних явищах. Слід визнати, що дзеркальна асиметрія є властивість Природи на самому фундаментальному уровне.

В електромагнітному взаємодії беруть участь все заряджені тіла, все заряджені елементарні частки. У цьому сенсі вона занадто універсально. Класичною теорією електромагнітного взаємодії є максвелловская електродинаміка. Як константи зв’язку приймається заряд електрона e.

Если розглянути два що лежать точкових заряду q1 і q2, їх електромагнітне взаємодія зведеться до відомої електростатичної силі. Це означає, що взаємодія є дальнодействующим поволі спадає зі зростанням відстані між зарядами. Заряджена частка випускає фотон, через що стан її руху змінюється. Інша частка поглинає цей фотон і змінює стан свого руху. Через війну частки хіба що відчувають наявність одне одного. Відомо, що електричний заряд є розмірної величиною. Зручно запровадити безрозмірну константу зв’язку електромагнітного взаємодії. І тому треба використовувати фундаментальні постійні й з. У результаті дійшли наступній безрозмірною константі зв’язку, званої в атомну фізику постійної тонкої структури.

Легко помітити, що це константа значно перевищує константи гравітаційного й порівняно слабкого взаємодій.

С сучасної погляду електромагнітне і слабке взаємодії представляють собою різні сторони єдиного електрослабкої взаємодії. Створено об'єднана теорія електрослабкої взаємодії - теорія Вайнберга-Салама-Глэшоу, пояснює з єдиних позицій всіх аспектів електромагнітних і слабких взаємодій. Чи можна зрозуміти на якісному рівні, як відбувається поділ об'єднаного взаємодії деякі, хіба що незалежні взаємодії?

Пока характерні енергії досить малі, електромагнітне і слабке взаємодії відділені і впливають друг на друга. Зі збільшенням енергії починається їх взаємовплив, й досить великих енергії ці взаємодії зливаються в єдине электрослабое взаємодія. Характерна енергія об'єднання оцінюється усе своєю чергою величини як 102 ГеВ (ГеВ — це скорочена від гігаелектрон-вольт, 1 ГеВ = 109 еВ, 1 еВ = 1.6· 10−12 ерг = 1.6· 1019 Дж). Для порівняння відзначимо, що характерна енергія електрона переважно стані атома водню порядку 10−8 ГеВ, характерна енергія зв’язку атомного ядра порядку 10−2 ГеВ, характерна енергія зв’язку твердого тіла порядку 10−10 ГеВ. Отже, характерна енергія об'єднання електромагнітних і слабких взаємодій величезна проти характерними енергіями в атомної та ядерній фізиці. По на цій причині електромагнітне і слабке взаємодії не виявляють у звичайних фізичних явищах своєї єдиної сущности.

Сильное взаимодействие

Сильное взаємодія відповідально за стійкість атомних ядер. Оскільки атомні ядра більшості хімічних елементів стабільні, то ясно, що взаємодія, яке утримує від розпаду, має бути досить сильний. Добре відомо, що ядра складаються з протонів і нейтронів. Щоб позитивно заряджені протони не розлетілися врізнобіч, потрібна наявність сил тяжіння з-поміж них, переважаючих сили електростатичного відштовхування. Саме сильне взаємодія відповідальний ті сили тяжіння.

Характерной рисою сильного взаємодії є його зарядовая незалежність. Ядерні сили тяжіння між протонами, між нейтронами й між протоном і нейтроном сутнісно однакові. Звідси випливає, що з погляду сильних взаємодій протон і нейтрон не можна відрізнити і їх використовується єдиний термін нуклон, тобто частка ядра.

Заключение

Итак, ми зробили огляд основних відомостей, що стосуються чотирьох фундаментальних взаємодій Природи. Коротко описані мікроскопічні і макроскопічні прояви цих взаємодій, картина фізичних явищ, у яких відіграють істотне значення.

Везде, де це можливо, ми намагалися простежити тенденцію об'єднання, відзначити спільні риси фундаментальних взаємодій, привести даних про характерних масштабах явищ. Звісно, излагаемый тут матеріал не претендує на повноту розгляду і містить багатьох важливих деталей, необхідні систематичного викладу. Докладний опис порушених нами питань вимагає використання всього арсеналу методів сучасної теоретичної фізики високих енергій і за межі цієї статті, науково-популярної літератури. Нашої єдиною метою було виклад загальної картини досягнень сучасної теоретичної фізики високих енергій, тенденції його розвитку. Ми намагалися викликати інтерес читача до, докладнішої вивченню матеріалу. Звісно, в такому підході неминучі певні огрубіння.

Предлагаемый список літератури дозволяє більш підготовленого читачеві поглибити своє уявлення про питання, розглянутих статье.

Список литературы

1. Окунь Л. Б. Фізика елементарних частинок. М.: Наука, 1984.

2. Новиков І. Д. Як вибухнула Всесвіт. М.: Наука, 1988.

3. Фрідман Д., ван. Ньювенхейзен П. // Успіхи фіз. наук. 1979.

4. Бергман П. Загадка гравитации Для підготовки даної роботи було використані матеріали із сайту internet.