Фундаментальные взаимодействия в природе

Гравитационные взаимодействия

В повседневной жизни приходится встречаться с разнообразными силами. Например, для того, чтобы открыть дверь, необходимо приложить мускульную силу и преодолеть силу трения в петлях двери и упругую силу дверной пружины. Ежедневно наблюдаются силы, с которыми давит атмосфера, и силы, с которыми Земля действует на Луну. Для того, чтобы запустить двигатель автомобиля, необходима электрическая сила, а в работе его тормозов действует гидравлическая сила.

Несмотря на то, что различные силы носят разные названия, поведением предметов в повседневной жизни управляют лишь два вида силы – электромагнитные и гравитационные. А перечисленные выше силы являются лишь разными их проявлениями.

Гравитационные взаимодействия являются самыми слабыми из фундаментальных. Этот вид взаимодействий обусловлен наличием у тел массы. Гравитационные взаимодействия преобладают в мегамире, в масштабах космоса. Исходя из квантовой теории поля, гравитационное взаимодействие переносится частицами, имеющими нулевую массу покоя. Такие частицы называются гравитонами.

Впервые величина гравитационных сил была установлена И. Ньютоном. Он сформулировал закон всемирного тяготения, согласно которому между любыми двумя телами возникает сила притяжения, которая является пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

Этот закон описывает падение тел в поле Земли, движение планет Солнечной системы и применяется для объяснения процесса эволюции космических тел и самой Вселенной в целом.

Электромагнитные взаимодействия

Электромагнитные взаимодействия обусловливаются свойством элементарных частиц, которое называется электрическим зарядом. Эти взаимодействия имеют важное значение в макромире и микромире вплоть до расстояний, которые превосходят размеры атомных ядер.

Передача электромагнитных взаимодействий происходит посредством магнитного и электрического полей. Возникновение электрического поля связано с наличием электрических зарядом, а магнитного – с их движением. Изменяющее магнитное поле вызывает переменное электрическое поле. В свою очередь, электрическое поле является источником переменного магнитного поля. Впервые единая природа магнитных и электрических полей была установлена в работах М. Фарадея и Д. Максвелла.

Агрегатные состояния вещества, а также упругость и трение определяются силами взаимодействия между молекулами, которые являются по своей природе электромагнитными.

Электромагнитные взаимодействия описываются законом электростатики. Согласно закону Кулона, сила, действующая между двумя точечными зарядами, находящимися в состоянии покоя, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и направлена вдоль прямой, которая соединяет эти частицы.

Так же, как электростатические, гравитационные силы убывают обратно пропорционально квадрату расстояния. Но между этими силами есть несколько принципиальных различий.

• электростатические силы превосходят гравитационные.
• электростатические силы могут быть и силами отталкивания, и силами притяжения, гравитационные – только силами притяжения
• величина гравитационных сил является пропорциональной массам взаимодействующих тел, поэтому возникает явление невесомости, которое специфично для гравитации. В электростатических силах такой зависимости не существует.

Применение, получение, изменение электромагнитных полей является основой для создания разного рода технических устройств.

Переносчиками электромагнитного взаимодействия, согласно квантовой электродинамике, являются частицы, имеющую нулевую массу. Такие частицы называются фотонами. Они регистрируются приборами в форме электромагнитной волны, но при этом имеют и свойства частиц.

Сильные и слабые ядерные взаимодействия

Ядерные взаимодействия играют решающую роль в ядерных процессах, и их проявление возможно только на расстояниях, сравнимых с размером атомного ядра. Существует два типа ядерных процессов, которые значительно различаются между собой скоростью протекания. Это позволяет делить ядерные взаимодействия на сильные, которые удерживают частицы в ядре, и слабые, которые являются причиной распада элементарных частиц.

Сильное ядерное взаимодействие обеспечивает связь протонов и нейтронов в ядре. Чем взаимодействие нуклонов в ядре сильнее, тем стабильнее ядро, соответственно, тем больше удельная энергия связи.

Увеличение числа нуклонов приводит к увеличению размера ядра, что приводит к уменьшению энергии связи и ядро быстро распадается. Именно это происходит с ядрами элементов, которые находятся в Периодической системе Менделеева.

Переносчиками сильного ядерного взаимодействия являются частицы, котрые соединяют кварки. Эти частицы называются глюонами.

В слабом ядерном взаимодействии принимают участие все элементарные частицы, за исключением фотонов. Слабое взаимодействие обусловливает распад элементарных частиц. Переносят слабое ядерное взаимодействие частицы, масса которых в 100 раз превышает массу нуклонов. Эти частицы называются вионами.

Рассмотренные фундаментальные взаимодействия отличны друг от друга по проявлениям и обусловлены, согласно современным представлениям, разными механизмами. Но пи этом построение единой теории всех фундаментальных взаимодействий представляется теоретически возможным. Например, в результате экспериментальных исследований взаимодействий элементарных частиц, проведенных в 1983 году, было обнаружено, что при больших энергиях столкновения протонов электромагнитное и слабое ядерное взаимодействие не отличаются, что позволяет рассматривать их в качестве электрослабого взаимодействия.

Одной из важнейших задач современной физической науки является создание единой теории фундаментальных взаимодействий, которая объединит не только слабое и электромагнитное, но и гравитационное и сильное взаимодействие. Предполагается, что при очень больших энергиях все виды фундаментальных взаимодействий будут характеризоваться одинаковой силой, то есть станут одним взаимодействием.