Вопрос 42: Фундаментальные взаимодействия: электромагнитное, сильное, слабое и гравитационное.

Вопрос 42: Фундаментальные взаимодействия: электромагнитное, сильное, слабое и гравитационное.

Фундаментальные взаимодействия — различные, не сводящиеся друг к другу типы взаимодействия элементарных частиц и составленных из них тел. На сегодня достоверно известно существование четырех фундаментальных взаимодействий: гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий. Исследуя окружающий нас мир, мы можем заметить множество самых разнообразных сил: сила тяжести, сила натяжения нити, сила сжатия пружины, сила столкновения тел, сила трения, сила сопротивления воздуха, сила взрыва и т.д. Однако когда была выяснена атомарная структура вещества, стало понятно, что все разнообразие этих сил есть результат взаимодействия атомов друг с другом. Поскольку атомы взаимодействуют в основном через электростатическое поле электронных оболочек, то, как оказалось, большинство этих сил — лишь различные проявления электромагнитного взаимодействия. Одно из исключений составляет, например, сила тяжести, причиной которой является гравитационное взаимодействие между двумя телами, обладающими массой. В 1930-е годы выяснилось, что ядра атомов состоят из нуклонов (протонов и нейтронов). Стало понятно, что ни электромагнитные, ни гравитационные взаимодействия не могут объяснить, что удерживает нуклоны в ядре. Было постулировано существование нового фундаментального взаимодействия: сильного взаимодействия. Однако в дальнейшем оказалось, что и этого недостаточно, чтобы объяснить некоторые явления в микромире. В частности, было непонятно, что заставляет распадаться свободный нейтрон. Тогда было постулировано существование слабого взаимодействия, и этого оказалось достаточно для описания всех до сих пор наблюдавшихся явлений в микромире. Первой из теорий взаимодействий стала теория электромагнетизма, созданная Максвеллом в 1863 году. Затем в 1915 г. Эйнштейн сформулировал общую теорию относительности, описывающую гравитационное поле. Появилась идея построения единой теории фундаментальных взаимодействий (которых на тот момент было известно только два), подобно тому, как Максвеллу удалось создать общее описание электрических и магнитных явлений. Такая единая теория объединила бы гравитацию и электромагнетизм в качестве частных проявлений некоего единого взаимодействия. Во второй половине XX столетия задача построения единой теории осложнилась необходимостью внесения в неё слабого и сильного взаимодействий, а также квантования теории. В 1967 году Саламом и Вайнбергом была создана теория электрослабого взаимодействия, объединившая электромагнетизм и слабые взаимодействия. Позднее в 1973 году была предложена теория сильного взаимодействия (квантовая хромодинамика). На их основе была построена Стандартная Модель элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабые и сильное взаимодействия. Экспериментальная проверка Стандартной Модели заключается в обнаружении предсказанных ею частиц и их свойств. В настоящий момент открыты все элементарные частицы Стандартной Модели, за исключением хиггсовского бозона. Таким образом, в настоящее время фундаментальные взаимодействия описываются двумя общепринятыми теориями: общей теорией относительности и Стандартной Моделью.

Вопрос 41: Элементарные частицы. Частицы и античастицы. Кварки.

Элементарная частица — собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить (или пока это не доказано) на составные части. Их строение и поведение изучается физикой элементарных частиц. Понятие элементарных частиц основывается на факте дискретного строения вещества. Другие элементарные частицы являются бесструктурными и могут считаться первичными фундаментальными частицами. Со времён первого открытия элементарной частицы (электрона) в 1897 году обнаружено уже более 400 элементарных частиц. По величине спина все элементарные частицы делятся на два класса: 1) фермионы — частицы с полуцелым спином (например, электрон, протон, нейтрон, нейтрино); 2) бозоны — частицы с целым спином (например, фотон).

По видам взаимодействий элементарные частицы делятся на следующие группы:

1) Составные частицы:

1.1) адроны — частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий. Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на:

1.1.1) мезоны (адроны с целым спином, т. е. бозоны);

1.1.2) барионы (адроны с полуцелым спином, т. е. фермионы). К ним, в частности, относятся частицы, составляющие ядро атома, — протон и нейтрон.

2) Фундаментальные (бесструктурные) частицы:

2.1) лептоны — фермионы, которые имеют вид точечных частиц (т. е. не состоящих ни из чего) вплоть до масштабов порядка 10−18 м. Не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (электроны, мюоны, тау-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино. Известны 6 типов лептонов.

2.2) кварки — дробнозаряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии не наблюдались. Как и лептоны, делятся на 6 типов и являются бесструктурными, однако, в отличие от лептонов, участвуют в сильном взаимодействии.

2.3) калибровочные бозоны — частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия:

2.3.1) фотон — частица, переносящая электромагнитное взаимодействие;

2.3.2) восемь глюонов — частиц, переносящих сильное взаимодействие;

2.3.2) три промежуточных векторных бозона W+, W− и Z0, переносящие слабое взаимодействие;

2.3.3) гравитон — гипотетическая частица, переносящая гравитационное взаимодействие. Существование гравитонов, хотя пока не доказано экспериментально в связи со слабостью гравитационного взаимодействия, считается вполне вероятным; однако гравитон не входит в Стандартную модель.

Адроны и лептоны образуют вещество. Калибровочные бозоны — это кванты разных видов излучения. Античастица — частица-двойник некоторой другой элементарной частицы, обладающая той же массой и тем же спином, но отличающаяся от неё знаками некоторых характеристик взаимодействия (зарядов, таких как электрический и цветовой заряд, барионное и лептонное квантовое число). Для некоторых нейтральных частиц, античастица тождественно совпадает с частицей. Это, в частности, фотон, нейтральный пи-мезон, эта-мезон и прочие кварконии, хиггсовский бозон, Z-бозон, гравитон. Такие частицы называют истинно нейтральными. Подчеркнём, что электрически нейтральные частицы могут и не совпадать со своими античастицами. Это, в частности, касается нейтрона, нейтрино, нейтрального каона и т. д. Кварк — фундаментальная частица в стандартной модели, обладающая электрическим зарядом, кратным e/3, и не наблюдающаяся в свободном состоянии. Из кварков состоят адроны, в частности, протон и нейтрон. Кварки участвуют в сильных, слабых и электромагнитных взаимодействиях. Сильные взаимодействия (обмен глюоном) могут изменять цвет кварка, но не меняют его аромат. Слабые взаимодействия, наоборот, не меняют цвет, но могут менять аромат. Необычные свойства сильного взаимодействия приводят к тому, что одиночный кварк не может удалиться на какое-либо заметное расстояние от других кварков, а значит, кварки не могут наблюдаться в свободном виде (явление, получившее название конфайнмент). Разлететься могут лишь «бесцветные» комбинации кварков — адроны.

Вопрос 37: Принцип Паули.

Принцип Паули в простейшей формулировке: в одном и том же атоме не может быть более одного электрона с одинаковым набором четырех квантовых чисел п, l, m_l и т_s, т. е. Z (п, l, m_l, т_s) = 0 или 1, где Z (п, l, m_l, т_s) – число электронов, находящихся в квантовом состоянии, описываемом набором четырех квантовых чисел: п, l, m_l, m_s. Таким образом, принцип Паули утверждает, что два электрона, связанные в одном и том же атоме, различаются значениями по крайней мере одного квантового числа.

.

Совокупность электронов в многоэлектронном атоме, имеющих одно и то же главное квантовое число п, называют электронной оболочкой. В каждой из оболочек электроны подразделяются по подоболочкам, соответствующим данному значению l. Поскольку орбитальное квантовое число принимает значения от 0 до n - 1, число подоболочек равно порядковому номеру п оболочки. Количество электронов в подоболочке определяется магнитным и магнитным спиновым квантовыми числами: максимальное число электронов в подоболочке с данным l равно 2(2l+1). Системы фермионов встречаются в природе только в состояниях, описываемых антисимметричными волновыми функциями (квантово-механическая формулировка принципа Паули). Так как принцип Паули лежит в основе систематики заполнения электронных состояний в атомах, то он позволяет объяснить Периодическую систему элементов Д. И. Менделеева (1869) – фундаментальный закон природы – основу современной химии, атомной и ядерной физики. Учитывая, как это делается в современной теории, что порядковый номер Z химического элемента равен общему числу электронов в атоме данного элемента, каждый последующий элемент можно «образовать» из предыдущего прибавлением к ядру одного протона (соответственно прибавлением одного электрона в электронной оболочке атома) с возрастанием числа электронов каждый следующий электрон занимает возможное энергетическое состояние с наименьшей энергией, заполнение электронами энергетических состояний происходит в соответствии с принципом Паули. Совершим «небольшую экскурсию» по Периодической системе, рассмотрев элемент за элементом. Единственный электрон атома водорода находится в состоянии 1s, характеризуемом квантовыми числами (ориентация его спина произвольна). Оба электрона атома Не находятся в состоянии 1s, но с антипараллельной ориентацией спина. Электронная конфигурация для атома Не записывается как 1s² (два 1s -электрона). На атоме Не заканчивается заполнение К -оболочки, что соответствует завершению I периода Периодической системы элементов Менделеева. Третий электрон атома Li (Z=3), согласно принципу Паули, уже не может разместиться в целиком заполненной K -оболочке и занимает наинизшее энергетическое состояние с n = 2 (L -оболочка), т. е. 2s -состояние. Электронная конфигурация для атома Li 1s² 2s. Атомом Li начинается II период Периодической системы элементов. Четвертым электроном Be (Z=4) заканчивается заполнение подоболочки 2s. У следующих шести элементов от В (Z=5) до Ne (Z= 10) идет заполнение подоболочки 2р (табл. 2). II период Периодической системы заканчивается неоном – инертным газом, для которого подоболочка 2р целиком заполнена.

 

Вопрос 28: Волны Де Бройля.

Луи де Бройль в 1924 г. постулировал, что корпускулярно-волновой дуализм имеет универсальный характер и распространяется не только на световые корпускулы (фотоны), но и на все частицы материи: частицы вещества (в частности, электроны) наряду с корпускулярными обладают также и волновыми свойствами. Количественные соотношения, связывающие корпускулярные (энергия и импульс) и волновые [частота (длина волны)] характеристики микрочастиц, такие же, как для фотона:

E = hv = ħω, p = h/λ = ħk, где k = 2π/λ – волновое число, а ħ = h/2π – постоянная Планка.

Длина волны, связанная с частицей, , (71)

где р – импульс частицы, λ называется длиной волны де Бройля.

Для нерелятивистской частицы длина волны де Бройля , где т₀ – масса покоя частицы. Если Т – кинетическая энергия частицы [ Т=р²/(2т) ], то (71)

Для релятивистской частицы длина волны де Бройля

(в данном случае ). Выразив с помощью соотношения импульс частицы р через ее полную энергию Е, найдем

Если Т – кинетическая энергия частицы, то Е = Т + т₀с².

Тогда .

Гипотеза де-Бройля была блестяще подтверждена экспериментально. Дэвиссон и Джермер обнаружили, что пучок электронов, рассеивающийся от кристаллической пластинки, дает дифракционную картину. Томсон и независимо от него Тартаковский получили дифракционную картину при прохождении электронного пучка через металлическую фольгу. Экспериментальное доказательство наличия волновых свойств микрочастиц привело к выводу о том, что мы имеем дело с универсальным явлением – общим свойством материи Простейшей волной с частотой ω и волновым вектором k является плоская монохроматическая волна

, (72)

где А – постоянная амплитуда волны, k – волновой вектор (его направление совпадает с направлением распространения волны, а модуль равен 2π/λ).

Согласно корпускулярно-волновому дуализму материи, ω = E/ħ и р = ħk. Учитывая эти соотношения и выражение (72), видим, что с движением частицы, имеющей определенные энергию и импульс, связывается волна вида ,

называемая плоской волной де Бройля.

 

Вопрос 27: Эффект Комптона.

Эффект Комптона – упругое рассеяние коротковолнового электромагнитного излучения (рентгеновского и γ – излучений) на свободных (или слабосвязанных) электронах вещества, сопровождающееся увеличением длины волны.

Разность Δλ = λ' - λ (комптоновскип сдвиг) не зависит от длины волны λ падающего излучения и от природы рассеивающего вещества, а зависит только от угла θ между направлениями рассеянного и первичного излучений: , (68)

где λ_c = h/(m_oc) – комптоновская длина волны электрона [ т₀ – масса покоя электрона, λ_c = 2,42631058·10^-12 м].

Рис. 59

Уменьшение энергии фотона означает увеличение длины волны рассеянного излучения. При каждом таком столкновении выполняются законы:

закон сохранения импульса p = p' + p

или, используя теорему косинусов, (69)

закон сохранения энергии W₀ + E = W + E', (70)

где p = hv/c, p' = hv'/c, W_o = m_oc² – энергия электрона до столкно­вения (m₀ – масса покоя электрона), E = hv – энергия налета­ющего фотона, – энергия электрона после сто­лкновения E ' = hv' – энергия рассеянного фотона.

 

Вопрос 26: Фотоэффект.

Фотоэффект – явление, подтверждающее гипотезу фотонов. Различают фотоэффект внешний, внутренний и вентильный. Внешним фотоэффектом (фотоэффектом) называют испускание электронов веществом (металлом, полупроводником, диэлектриком) под действием электромагнитного излучения. Внутренний фотоэффект – это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу. Разновидностью внутреннего фотоэффекта является вентильный фотоэффект – возникновение э.д.с. (фото-э.д.с.) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего электрического поля). Вентильный фотоэффект открывает пути для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую. Фотоэффект обнаружен Герцем. Первые фундаментальные исследования фотоэффекта выполнены русским ученым А. Г. Столетовым. Два электрода (в вакуумной трубке подключены к батарее так, что с помощью потенциометра R можно изменять не только значение, но и знак подаваемого на них напряжения. Ток, возникающий при освещении катода монохроматическим светом, измеряется включенным в цепь миллиамперметром. Облучая катод светом различных длин волн, Столетов установил следующие закономерности, не утратившие своего значения до нашего времени: 1) наиболее эффективное действие оказывает ультрафиолетовое излучение; 2) под действием света вещество теряет только отрицательные заряды; 3) сила тока, возникающего под действием света, прямо пропорциональна его интенсивности. Чтобы фототок стал равным нулю, необходимо приложить задерживающее напряжение U_o. При U = U_o ни один из электронов, даже обладающий при вылете из катода максимальной скоростью V_max, не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода. Следовательно, . (66)

Измерив задерживающее напряжение, можно определить максимальные значения скорости и кинетической энергии фотоэлектронов. Внешний фотоэффект подчиняется следующим трем законам, полученным из обобщения опытных данных:

I. Закон Столетова: при фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых из катода за единицу времени, пропорционально интенсивности света.

II. Максимальная начальная скорость (максимальная начальная кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой ν.

III. Для каждого вещества существует «красная граница» фотоэффекта, т. е. минимальная частота v₀ света (зависит от химической природы вещества и состояния его поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен.

Объяснение фотоэффекта дано на основе квантовой теории. Фотоэффект описывается уравнением Эйнштейна, выражающим закон сохранения энергии при фотоэффекте: , (67)

т. е. энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы выхода А из металла и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону максимальной кинетической энергии. Подставляя в уравнение Эйнштейна (67) выражение (66), приходим к объяснению второго закона фотоэффекта

.

 

«Красная граница» зависит лишь от работы выхода электрона, т. е. от химической природы вещества и состояния его поверхности. Объяснение безынерционности фотоэффекта на основе квантовых представлений тривиально: испускание фотоэлектронов происходит сразу, как только на фотокатод падает излучение с ν > ν₀.

 

 

Вопрос 23: Формула Планка.

Формула Планка — выражение для спектральной плотности мощности излучения абсолютно чёрного тела, которое было получено Максом Планком для равновесной плотности излучения u(ω,T). После того как вывод Рэлея — Джинса для излучения абсолютно чёрного тела, столкнулся с ультрафиолетовой катастрофой (расходимость при больших частотах), стало ясно, что классическая физика не в силах объяснить его излучение. Для вывода формулы Планк в 1900 году сделал предположение о том, что электромагнитное излучение испускается в виде отдельных порций энергии (квантов), величина которых связана с частотой излучения выражением:

По сути это было «рождение» фотона. Коэффициент пропорциональности в последствии назвали постоянной Планка, = 1.054 · 10-34 Дж·с. Выражение для средней энергии колебания частотой ω дается выражением:

.

Количество стоячих волн в трёхмерном пространстве равно:

перемножив (1) и (2), получим плотность энергии, приходящуюся на интервал частот dω:

откуда:

Зная связь испускательной способности абсолютно чёрного тела f (ω, T) с равновесной плотностью энергией теплового излучения , для f (ω, T) находим:

Выражения (3) и (4)носят название формулы Планка. Испускательную способность АЧТ, выраженную через длину волны λ т.е. можно выразить используя соотношение:

, получим

 

Вопрос 21: Закон Кирхгофа.

Тепловое излучение подчиняется закону Кирхгофа: отношение спектральной плотности энергетической светимости к спектральной поглощательной способности не зависит от природы тела; оно является для всех тел универсальной функцией частоты (длины волны) и температуры

, (59)

где r_ν,T – универсальная функция Кирхгофа, т. е. не что иное, как спектральная плотность энергетической светимости черного тела.

Используя закон Кирхгофа (59), выражению для энергетической светимости тела (58) можно придать вид .

Для серого тела ,

где – энергетическая светимость черного тела (зависит только от температуры).

 

Вопрос 13: Дисперсия света.

Дисперсией света называются явления, обусловленные зависимостью показателя преломления вещества от частоты (или длины) световой волны, Эту зависимость можно охарактеризовать функцией

n = f(λ₀), (47)

где λ₀ – длина световой волны в вакууме.

Характер дисперсии становится особенно наглядным, если применить метод скрещенных призм. Первая A₁ (вспомогательная) стеклянная призма разворачивает пучок света вдоль одного направления (пунктирная полоса a – b на рис. 46). Вторая призма A₂, изготовленная из исследуемого вещества, отклоняет каждый из лучей в другом направлении. Это отклонение определяется значением п (λ₀) для данного вещества, так что получающаяся на экране искривленная радужная полоса (a' – b' на рис. 46) наглядно передает ход показателя преломления с длиной волны λ₀. Для всех прозрачных бесцветных веществ функция (47) имеет в видимой части спектра вид, показанный на рис. 48. С уменьшением длины волны показатель преломления увеличивается со все возрастающей скоростью, так что величина , называемая дисперсией вещества, также увеличивается по модулю с уменьшением λ ₀. Такой характер дисперсии называют нормальным. Рис. 47(левый) соответствует случаю нормальной дисперсии. Зависимость п от λ_о в области нормальной дисперсии может быть представлена приближенно формулой:

, (48)

где а, b, с,... – постоянные, значения которых для каждого вещества определяются экспериментально. В большинстве случаев можно ограничиться двумя первыми членами формулы, полагая .

В этом случае дисперсия вещества изменяется по закону: .

Если вещество поглощает часть лучей, в области поглощения и вблизи от нее ход дисперсии обнаруживает аномалию (рис. 47 (правый)). На некотором участке более короткие волны преломляются меньше, чем более длинные. Такой ход зависимости п от λ_о называется аномальнойдисперсией.

 

Вопрос 12: Голография.

На голограмме регистрируется не само изображение предмета, а фиксируется структура световой волны, отраженной предметом.

Для получения голограммы необходимо, чтобы на фотоэмульсию одновременно со светом, рассеянным объектом (предметный пучок), попадала также и некоторая часть света источника, освещающего этот объект (опорный пучок, рис. 31, а). При этом необходимо, чтобы свет, рассеянный объектом, мог интерферировать с опорным пучком. Образующаяся интерференционная картина – чередование темных и светлых областей, регистрируется фотопластинкой. Экспонированная таким образом и проявленная фотопластинка представляет собой голограмму.

Образование видимого изображения с помощью голограммы называется стадией восстановления изображения. Чтобы увидеть изображение объекта в пространстве, голограмму просвечивают, словно диапозитив, опорным пучком света (рис. 31 б). Под углом к освещающему пучку появляется изображение П'. Наблюдатель видит исходный объемный объект висящим в пространстве. На него можно смотреть из разных положений, как через окно, ограниченное размерами голограммы. Термин «Гологрфия» был введен впервые ее изобретателем Д. Габором. Он происходит от греческих слов «олос» – полный и «графо» – пишу и означает: «полная запись». Имеется в виду запись фронта световой волны (пространственной структуры волны), рассеянной объектом Это достигается с помощью интерференционной картины, которая одновременно фиксирует как амплитудные соотношения рассеянного света, т. е. относительные интенсивности, определяющие степень почернения темных частей (контрастность) интерференционного узора, так и ее фазовые соотношения, обусловливающие взаимное расположение темных и светлых пятен.

Вопрос 6: Дифракция света.

Дифракция света – это совокупность явлений, наблюдаемых при распространении света сквозь отверстия, вблизи границ непрозрачных тел и т. д. и обусловленных волновой природой света. Под дифракцией света обычно понимают отклонения от законов распространения света, описываемых геометрической оптикой. При этом размеры преград – d >> λ. Объяснение дифракции возможно с помощью принципа Гюйгенса, согласно которому каждая точка, до которой доходит волна, служит источником вторичных волн, а огибающая этих волн дает положение волнового фронта в следующий момент времени. (Рис.10) Как известно, волновой фронт – это геометрическое место точек, до которых доходят колебания к некоторому моменту времени. Геометрическое место точек, для которых колебания имеют одинаковые фазы, называют волновой поверхностью. Волновой фронт также является волновой поверхностью.

.Френель дополнил принцип Гюйгенса идеей интерференции вторичных волн. Согласно принципу Гюйгенса – Френеля, световая волна, возбуждаемая источником S, может быть представлена как результат суперпозиции когерентных вторичных волн, «излучаемых» фиктивными источниками. Такими источниками могут служить бесконечно малые элементы любой замкнутой поверхности, охватывающей источник S. Обычно в качестве такой поверхности выбирают одну из волновых поверхностей, а поэтому все фиктивные источники действуют синфазно.

 

Вопрос 5: Интерферометры.

Схема интерферометра Майкельсона изображена на рис.4,10.

Пучок света от источника падает на разделительную пластику P₁, покры­тую тонким слоем серебра или алюминия. Луч 1, прошедший через плас­тинку Р₁, отражается от зеркала S₁ и, попадая опять на пластинку Р₁, частично отражается по направлению AO к приемнику. Луч 2, который формируется за счет отражения от внутренней зеркальной стороны плас­тинки Р₁ , падает на зеркало S₂ и, отражаясь от него, походит вновь через пластинку Р₁ и сливается c лучом 1. Лучи 1, 2 когерентны, поэтому в приемнике они будут интерферировать. Так как луч 2 пересекает плас­тинку Р₁ три раза, а луч 1 - один раз, то на его пути устанавливается точно такая же пластинка Р₂, чтобы скомпенсировать добавочную опти­ческую разность хода.

Наблюдаемая интервенционная картина будет соответствовать интер­ференции в воздушном слое, образованном зеркалом S₂ и мнимым изобра­жением S₁' зеркала S₁ в пластинке Р₁. Обычно зеркала устанавливаются таким образом, чтобы эквивалентный воздушный слой имел вид клина. В этом случае наблюдаются интервенционные полосы равной толщины, рас­полагающиеся параллельно ребру воздушного клина.

 

Вопрос 42: Фундаментальные взаимодействия: электромагнитное, сильное, слабое и гравитационное.

Фундаментальные взаимодействия — различные, не сводящиеся друг к другу типы взаимодействия элементарных частиц и составленных из них тел. На сегодня достоверно известно существование четырех фундаментальных взаимодействий: гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий. Исследуя окружающий нас мир, мы можем заметить множество самых разнообразных сил: сила тяжести, сила натяжения нити, сила сжатия пружины, сила столкновения тел, сила трения, сила сопротивления воздуха, сила взрыва и т.д. Однако когда была выяснена атомарная структура вещества, стало понятно, что все разнообразие этих сил есть результат взаимодействия атомов друг с другом. Поскольку атомы взаимодействуют в основном через электростатическое поле электронных оболочек, то, как оказалось, большинство этих сил — лишь различные проявления электромагнитного взаимодействия. Одно из исключений составляет, например, сила тяжести, причиной которой является гравитационное взаимодействие между двумя телами, обладающими массой. В 1930-е годы выяснилось, что ядра атомов состоят из нуклонов (протонов и нейтронов). Стало понятно, что ни электромагнитные, ни гравитационные взаимодействия не могут объяснить, что удерживает нуклоны в ядре. Было постулировано существование нового фундаментального взаимодействия: сильного взаимодействия. Однако в дальнейшем оказалось, что и этого недостаточно, чтобы объяснить некоторые явления в микромире. В частности, было непонятно, что заставляет распадаться свободный нейтрон. Тогда было постулировано существование слабого взаимодействия, и этого оказалось достаточно для описания всех до сих пор наблюдавшихся явлений в микромире. Первой из теорий взаимодействий стала теория электромагнетизма, созданная Максвеллом в 1863 году. Затем в 1915 г. Эйнштейн сформулировал общую теорию относительности, описывающую гравитационное поле. Появилась идея построения единой теории фундаментальных взаимодействий (которых на тот момент было известно только два), подобно тому, как Максвеллу удалось создать общее описание электрических и магнитных явлений. Такая единая теория объединила бы гравитацию и электромагнетизм в качестве частных проявлений некоего единого взаимодействия. Во второй половине XX столетия задача построения единой теории осложнилась необходимостью внесения в неё слабого и сильного взаимодействий, а также квантования теории. В 1967 году Саламом и Вайнбергом была создана теория электрослабого взаимодействия, объединившая электромагнетизм и слабые взаимодействия. Позднее в 1973 году была предложена теория сильного взаимодействия (квантовая хромодинамика). На их основе была построена Стандартная Модель элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабые и сильное взаимодействия. Экспериментальная проверка Стандартной Модели заключается в обнаружении предсказанных ею частиц и их свойств. В настоящий момент открыты все элементарные частицы Стандартной Модели, за исключением хиггсовского бозона. Таким образом, в настоящее время фундаментальные взаимодействия описываются двумя общепринятыми теориями: общей теорией относительности и Стандартной Моделью.