Типы фундаментальных взаимодействий

Способность к взаимодействию – важнейшее свойство материи. Именно взаимодействия обеспечивают объединение различных объектов мега- макро- и микромира в системы. В настоящее время все виды взаимодействий сводятся к четырем типам, которые называются фундаментальными: — гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое (см. приложение).

Гравитационное взаимодействие. Источником гравитационного взаимодействия является масса тела, оно проявляется через взаимное притяжение тел согласно закону всемирного тяготения Ньютона.

Сила любого взаимодействия характеризуется его константой. Для гравитационного взаимодействия константа взаимодействия равна 10^-38, поэтому гравитационное взаимодействие является самым слабым из фундаментальных взаимодействий

Гравитационное взаимодействие проявляется на любых расстояниях, однако оно наиболее значительно в мега-мире. В микромире из-за малых масс объектов гравитационные силы не существенны. Носителями гравитационного взаимодействия являются гравитоны.

Электромагнитное взаимодействие связано с существованием электрических и магнитных полей, оно возникает между заряженными частицами. Электромагнитные сила могут быть как силами притяжения (разноименно заряженные частицы), так и силами отталкивания (одноименно заряженные частицы). Константа взаимодействия равна 10^-2, переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны. Электромагнитное взаимодействие, как и гравитационное, проявляется в микро-, макро- и мегамире, т.е. на любых расстояниях.

Слабое взаимодействие проявляется в некоторых видах ядерных процессов. За счет слабого взаимодействия в процессе радиоактивного распада нейтроны ядра распадаются на три типа частиц: положительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные нейтрино.

Слабое взаимодействие значительно меньше электромагнитного, но сильнее гравитационного, его константа равна 10^-14. Оно проявляется на очень малых расстояниях (10^{-22 см) и объясняет процессы радиоактивности (распад ядер атомов). За счет слабого взаимодействия светит Солнце, происходит эволюция звезд. Переносчики слабого взаимодействия – бозоны.}

В 1970-е годы была создана общая теория электромагнитного и слабого взаимодействия - теория электрослабого взаимодействия. Она рассматривает два типа фундаментальных взаимодействий как проявление единого, более глубокого. Так, на расстояниях более 10^{-17 см преобладают электромагнитные взаимодействия, на меньших расстояниях в одинаковой мере важны и электромагнитные и слабые взаимодействия.}

Сильное взаимодействие обеспечивает связь протонов и нейтронов (нуклонов) в ядре, и таким образом не дает протонам разлетаться за счет электромагнитных сил отталкивания. Константа сильного взаимодействия равна 1, оно является самым сильным из всех видов фундаментальных взаимодействий. Сильное взаимодействие осуществляется на малых расстояниях порядка 10^{-13 см и отвечает за образование ядер атомов.}

Переносчиками сильного взаимодействия являются глюоны. Глюоны объединены в глюонное поле (по аналогии с электромагнитным), благодаря которому и осуществляется сильное взаимодействие. и является источником огромной энергии (термоядерные реакции).

В современной физике продолжаются поиски теории, которая позволила бы объединить все четыре типа фундаментальных взаимодействий. Этот проект получил название «Великое объединение»

Выводы

1. Физика – наука о природе, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие свойства материального мира. Различают следующие виды материи: вещество, физическое поле и физический вакуум. Формы и свойства материи описывают с точки зрения корпускулярной и континуальной теории. Выделяют следующие уровни организации (структурные уровни) материи: микромир, макромир, мегамир.

2. В истории развития физики как науки выделяют период становления классической физики (17 век – начало 20 века) и период современной физики (с 1905 г). Эволюция классической физики представляет собой формирование механистической, термодинамической и электромагнитной картин мира.

3. Механистическая картина мира опирается на атомно-молекулярное учение о строении вещества. Важнейшими принципами МКМ являются: принцип относительности, принцип дальнодействия, принцип причинности. Важными законами в классической физике являются законы сохранения: (Закон сохранения электрического заряда, Закон сохранения массы, Закон сохранения энергии), законы движения (первый, второй, третий законы движения Ньютона, закон сохранения импульса, закон всемирного тяготения)

4. Термодинамическая картина мира опирается на первое и втрое начало термодинамики. Первое начало термодинамики: количество теплоты ΔQ, сообщенное телу, идет на увеличение его внутренней энергии ΔU и на совершение телом работы А. Второе начало термодинамики: нельзя осуществить работу за счет энергии тел, находящихся в состоянии термодинамического равновесия. Второе начало термодинамики называют также законом возрастания энтропии: для всех происходящих в замкнутой системе тепловых процессов энтропия системы возрастает; максимально возможное значение энтропии замкнутой системы достигается в тепловом равновесии: Таким образом, замкнутая система, находящаяся в состоянии равновесия, обладает максимальной неупорядоченностью и минимальной энергией.

5. Основой электромагнитной картины мира является теория электромагнитного поля. Сущность теории электромагнитного поля заключается в следующем: - источниками электромагнитного поля могут быть электрические заряды или изменяющиеся во времени магнитные поля. Магнитные поля могут возбуждаться движущимися электрическими зарядами или переменными электрическими полями.

6. Современная физика формируется на основе релятивистской квантовой механики. Она отказывается от наглядности, признает различие микро-, макро- и мегамира, опирается на принципы дополнительности и неопределенности, и для описания процессов использует статистические закономерности, которые носят вероятностный характер.

7. Современной физики опирается на положения теории относительности (специальной и общей). Специальная теория относительности распространила принципы относительности для механических систем на электромагнитные взаимодействия. Она показала, что пространство и время связаны между собой и зависят от скорости движения системы отсчета, в которой проводятся измерения. Общая теория относительности (гравитационная теория) позволяет рассматривать не только инерциальные системы отсчета, но и любые системы координат, которые движутся по криволинейным траекториям и с любыми ускорениями. Она установила, что законы геометрии меняются около тяжелых тел.

8. В современной физике вещество изучается на субатомном и субъядерном уровнях. Атом – электронейтральная система, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Ядро состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов (нуклонами).

9. Элементарные частицы – структурные элементы микромира. Фундаментальными частицами микромира являются кварки. По свойствам и характеру взаимодействия элементарные частицы принято делить на фермионы (частицы, составляющие вещество) и бозоны (частицы, которые переносят взаимодействие). Характеристиками элементарных частиц являются: масса покоя, электрический заряд, спин, время жизни. Микрочастицы обладают корпускулярно-волновым дуализмом, т.е. могут вести себя одновременно и как волна, и как частица.

10. Взаимодействие – важнейшее свойство материи. За счет взаимодействия объекты объединяются в системы. Различают следующие виды фундаментальных взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Гравитационное взаимодействие. Источником гравитационного взаимодействия является масса тела, оно проявляется через взаимное притяжение тел согласно закону всемирного тяготения. Электромагнитные взаимодействия возникают между заряженными частицами. Слабое взаимодействие проявляется в некоторых видах ядерных процессов и объясняет процессы радиоактивности (распад ядер атомов).

11. Сильное взаимодействие обеспечивает связь протонов и нейтронов (нуклонов) в ядре, и отвечает за образование ядер атомов. Таким образом, сильное взаимодействие не дает протонам разлетаться за счет электромагнитных сил отталкивания.