Развитие представлений о взаимодействии в природе.

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

Представления Аристотеля о взаимодействии: одностороннее воздействие движущего на движимое; первоначальная форма концепции близкодействия (передача воздействия только через посредников, при непосредственном контакте)

Механическая картина мира:

- возникновение концепции взаимодействия (третий закон Ньютона) (F=-F действие равно противодействию)

- открытие фундаментального взаимодействия (закон всемирного тяготения)

- принятие концепции дальнодействия (мгновенной передачи взаимодействия через пустоту на любые расстояния)

Электромагнитная картина мира:

- открытие второго фундаментального взаимодействия (электромагнитное)

- возврат к концепции близкодействия (взаимодействие передаётся только через материального посредника — физическое поле — с конечной скоростью)

- полевой механизм передачи взаимодействий (заряд создаёт соответствующее поле, которое действует на соответствующие заряды)

Современная научная картина мира:

- четыре фундаментальных взаимодействия (по мере увеличения интенсивности: гравитационное, слабое, электромагнитное, сильное), (гравитационное (самое слабое, в нем участвуют все частицы, распространяется сколь угодно далеко), электромагнитное (участвуют только заряженные частицы, распространяется сколь угодно далеко), сильное (образование атомных ядер из протонов и нейтронов, а также протонов и нейтронов из кварков, действует на коротком расстоянии, участвуют только адроны) и слабое (распады ядер, взаимопревращение элементарных частиц, действует на коротком расстоянии, участвуют все частицы))

- квантово-полевой механизм передачи взаимодействий (заряд испускает виртуальные частицы-переносчики соответствующего взаимодействия, поглощаемые другими аналогичными зарядами)

- частицы-переносчики фундаментальных взаимодействий (фотоны (электромагнитное), гравитоны (гравитационное), глюоны (сильное), промежуточные векторные бозоны (слабое))

- характеристики фундаментальных взаимодействий определяются свойствами частиц-переносчиков: масштабы, в которых эффективно фундаментальное взаимодействие, определяются массой его частиц-переносчиков и способностью его зарядов взаимно компенсироваться

Фундаментальные взаимодействия, преобладающие между объектами

- микромира (сильное, слабое и электромагнитное)

- макромира (электромагнитное)

- мегамира (гравитационное)

Примеры объектов, стабильность которых обеспечивается конкретным видом взаимодействия:

- атом, молекула, вещество – электромагнитное

- планетные системы, галактики - гравитационное

- ядра атомов - сильное

Между звездами и планетами – гравитационное, между атомами, молекулами, между атомным ядром и оболочкой – электромагнитное; химическое движение имеет электромагнитную природу

*более подробно(если кому понадобится)

Аристотель (IV век до н.э.) рассматривал взаимодействие как одностороннее воздействие движущего на движимое. Им рассматривалась передача воздействия только через контакт между телами (т.е. рассматривалась только контактная сила), что и было первоначальной формой концепции близкодействия

В классической механике (в механической картине мира XVIII – XIX века) взаимное действие тел друг на друга характеризуется силой. В основе представлений о взаимодействии, в этой теории, лежат два закона:

- III закон Ньютона (объясняющий взаимодействие двух тел): силы, с которыми действуют друг на друга взаимодействующие тела, равны по величине и противоположно направлены. Этот закон применим как для контактирующих тел, так и для взаимодействующих на расстоянии

- закон всемирного тяготения: два материальных тела, разделенные пространством, притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними и направленной вдоль прямой, соединяющей их (F = G*m1*m2/r2)

Вышеуказанные законы сформулированы для двух взаимодействующих тел. Для определения взаимодействия нескольких тел применяется принцип суперпозиции: результат воздействия на частицу нескольких внешних сил (полей) есть сумма результатов воздействия каждой из сил (каждого из полей)

В классической механике Ньютона, при взаимодействии тел на расстоянии, принята концепция дальнодействия: взаимодействие материальных тел не требует материального посредника (может передаваться через пустоту); взаимодействие передается мгновенно. Закон всемирного тяготения является примером дальнодействия (непосредственного взаимодействия тел на расстоянии)

Классическая электродинамика (XIX век) (электродинамика Максвелла) – классическая теория электромагнитного взаимодействия.

В электродинамике Максвелла впервые возникло представление о полевом механизме взаимодействия:

- передача взаимодействия осуществляется материальным посредником – электромагнитным полем (в частном случае – электрическим или магнитным полем)

- электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное – при их движении, т.е. движущиеся заряды создают в пространстве электромагнитное поле

- полевой механизм передачи взаимодействия заключается в том, что если заряд создает соответствующее поле, то именно оно и действует на другие заряды

- колеблющиеся электрические заряды порождают электромагнитные волны, в которых происходит периодическая «перекачка» электрического поля в магнитное и обратно

В электродинамике Максвелла утвердилась концепция близкодействия:

- каждое действие на расстоянии должно происходить через материальных посредников

- скорость передачи воздействия ограничена

Согласно этой концепции, любое воздействие на материальный объект передается от источника последовательно между точками пространства. Именно поэтому это воздействие передается за конечный промежуток времени

В современной картине мира (XX век) формулируется:

- представление о квантово-полевом механизме передачи взаимодействий

- взаимодействие осуществляется посредником – квантами полей

- передача взаимодействия основывается на концепции близкодействия

В настоящее время известны четыре вида фундаментальных взаимодействий в природе. Для всех четырех видов взаимодействия общим является:

- все фундаментальные взаимодействия носят обменный характер

При обменном взаимодействии, объекты действуют друг на друга, испуская и поглощая виртуальные частицы (виртуальными частицами называются такие частицы, которые невозможно экспериментально обнаружить в ходе обменного процесса)

Представим все четыре вида фундаментальных взаимодействий в порядке убывания их интенсивности (от более сильного взаимодействия к более слабому):

Сильное (ядерное) взаимодействие:

- ответственно за устойчивость (стабильность) атомных ядер, обеспечивая связь нуклонов в ядре, т.е. ему подвержены протоны и нейтроны

- превосходит силы электростатического отталкивания протонов в ядре и обеспечивает силы притяжения между ними

- является короткодействующим и сосредоточено на расстояниях, не превышающих размеры ядра атома

- переносчиками сильного взаимодействия являются виртуальные частицы – глюоны (масса покоя их равна нулю)

- глюоны «склеивают» кварки, входящие в состав протонов, нейтронов и др. частиц

Электромагнитное взаимодействие, характеризующее взаимодействие электрических зарядов, токов, электрических полей, сформулировано квантовой электродинамикой:

- связывает: электроны и ядра в атомы; атомы – в молекулы; молекулы – в тела

- переносчиками электромагнитного взаимодействия являются виртуальные частицы – кванты электромагнитного поля – фотоны (масса покоя их равна нулю)

- радиус взаимодействия не ограничен (но преобладает в области масштабов от радиуса атома до нескольких километров)

Слабое взаимодействие (или слабое ядерное взаимодействие):

- им обусловлены процессы радиоактивного распада атомных ядер многих изотопов (типичный пример: процесс бета-распада ядра, в ходе которого свободный нейтрон распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино)

- радиус действия (порядка 10-17 м) во много раз меньше размера ядра атома

- переносчиками являются виртуальные частицы – промежуточные векторные бозоны – частицы с массой, примерно в 100 раз большей массы протонов и нейтронов

- играет важную роль в термоядерных реакциях (процессах), ответственных за энерговыделение в звездах, способствуя медленному протеканию ядерных процессов, обеспечивает длительное «горение» звезд и Солнца

- называется слабым, поскольку два других взаимодействия, значимые для ядерной физики (сильное и электромагнитное), характеризуются значительно большей интенсивностью

Гравитационное взаимодействие самое слабое из всех и характерно для всех материальных объектов вне зависимости от их природы:

- определяет движение планет в звездных системах, движение галактик, управляет эволюцией Вселенной

- ему подвержены все частицы, поля, волны

- радиус взаимодействия не ограничен

- переносчиками гравитационного взаимодействия являются виртуальные частицы – кванты гравитационного поля – гравитоны

- масса покоя гравитона равна нулю. До настоящего времени гравитоны экспериментально не обнаружены

- общепринятой теорией гравитационного взаимодействия является общая теория относительности, которая предсказывает существование гравитационных волн, носителем которых и может быть гравитон