Характеристика фундаментальных видов взаимодействий

Вид взаимодействия	Относительная интенсивность	Область действия, м	Материальные объекты, подверженные взаимодействию
Сильное		£10^-15	Некоторые элементарные частицы, ядра атомов
Электромагни-тное	10^-2	0...¥	Практически все материальные объекты
Слабое	10^-24	£10^-17	Некоторые материальные частицы
Гравитацион-ное	10^-40	0...¥	Все материальные объекты

Процесс испускания и поглощения элементарных частиц по своей природе является вероятностным, т.е. каждый отдельный акт взаимодействия случаен, и можно говорить лишь об определенной вероятности его наступления. Поэтому общефизической является идея о статистичности поведения элементарных частиц. Поведение их описывается статистическими законами. В случае больших тел число обмениваемых элементарных частиц очень велико и время взаимодействия велико, поэтому взаимодействие больших систем может быть описано не только статистическими законами, но и усреднено динамическими законами.

Общефизической является идея о том, что динамические законы - результаты усредненного статистического подхода.

Кроме того, у всех материальных объектов размером 10^-8 м и меньше проявляются ярко двойственно свойства материи, т.е. они обладают и корпускулярными и волновыми свойствами одновременно. Объекты, состоящие из большого числа частиц, протонов, нейтронов, электронов, обладают четко выраженными корпускулярными свойствами, а объекты (поля), состоящие из большого числа частиц - фотонов, обладают волновыми свойствами. Таким образом, общефизической является идея о корпускулярно - волновом дуализме материи. Для описания поведения объектов с двойственными свойствами и систем, состоящих из таких объектов, создана квантовая теория. В физике любой материальный объект или совокупность объектов могут быть выбраны в качестве исследуемой физической системы. Для описания поведения объектов очень часто используются физические абстракции - модели, учитывающие самые важные особенности реального объекта для данного случая и отбрасывающие все несущественное в данной обстановке. Поведение одного и того же объекта в разных ситуациях может рассматриваться с помощью разных моделей. Например, автомобиль может рассматриваться и как материальная точка, и как абсолютно твердое тело, и как упругое тело в зависимости от конкретной задачи.

Общефизическими моделями являются частица или, что то же самое, материальная точка, и система материальных точек (частиц). Частица - материальный объект, размерами и формой которого в данных условиях можно пренебречь. Частица обладает массой и другими свойствами в разных случаях. Различают свободные и несвободные частицы, изолированные и неизолированные системы частиц, т.е. невзаимодействующие с другими частицами, и несвободные частицы, т.е. взаимодействующие с другими частицами. Система частиц - - совокупность двух и более частиц, называемых внутренними. Частицы, не входящие в данную систему называют внешними. Различают изолированные системы частиц, т.е. невзаимодействующие с внешними частицами, и неизолированные системы, т.е. взаимодействующие с внешними частицами. Внутренние частицы могут быть как свободными, так и взаимодействующими друг с другом.

Выбранную модель реального объекта называют физической системой.

В физике изучают состояния физических систем и процессы, т.е. изменения состояний физических систем. При этом общефизической является идея о том, что всякое изменение состояния физической системы происходит лишь в результате какого-либо взаимодействия. Эта идея есть отражение причины связи, всеобщей причиной обусловленности явлений реального мира, лежащей в основе современного миропонимания.

Основная задача в физике состоит в определении состояния исследуемой физической системы в любой момент времени по известному состоянию в какой-либо момент времени и закону изменения состояния этой системы со временем. Определение состояния системы специфично для каждой из пяти фундаментальных теорий.

Состояния физических систем и процессы изменения состояний относительны, как относительны пространство и время, что составляет содержание еще одной общефизической идеи, поэтому необходимо указание системы отсчета, относительно которой рассматривается поведение физической системы.

Система отсчета это - совокупность тела отсчета, системы координат и прибора для отсчета времени часов. Опытным фактом является трехмерность мирового пространства и его эвклидовость до расстояний порядка 10²⁶ м, составляющих размер наблюдаемой с помощью современных приборов части Вселенной. Чаще всего используют прямоугольную систему координат. На рис. 1.2 изображена условно система, у которой точка О - начало системы отсчета. Поскольку пространство и время связаны между собой, то часто говорят о четырехмерном пространстве - времени.

Рис. 1.2

Среди большого числа физических величин, описывающих поведение физических систем различными теориями, есть несколько общефизических. К общефизическим величинам относятся: время , масса , скорость , импульс , момент импульса , полная энергия . Определение этих величин, их связи между собой рассмотрим в фундаментальных теориях их использующих.

Среди многочисленных физических законов есть такие, которые справедливы для любых физических систем в любых пространственных и временных областях. Это общефизические законы. К ним относится первый закон Ньютона (принцип инерции), согласно которому существуют системы отсчета, в которых свободная частица и изолированная система частиц движутся с постоянной числено и по направлению скоростью, т.е. равномерно и прямолинейно.

Системы отсчета, в которых выполняется принцип инерции, называют инерциальными. Системы отсчета, в которых не выполняется принцип инерции, называют неинерциальными. Если какая-то система отсчета инерциальна, то инерциальными будут и другие системы отсчета, отличающиеся от данной:

а) сдвигом начала системы отсчета, поскольку пространство однородно;

б) поворотом осей системы на какой-либо угол, поскольку пространство изотропно;

в) сдвигом начала отсчета времени, поскольку время однородно;

г) наличием прямолинейного и равномерного движения, поскольку системы

отсчета, движущиеся относительно друг друга прямолинейно и равномерно, физически эквивалентны.

К общефизическим законам относится принцип относительности, введенный в физику Галилеем и обобщенный Эйнштейном. Согласно принципу относительности законы физики не зависят от выбранной инерциальной системы отсчета.

Образно говоря, один и тот же закон, установленный в инерциальной системе отсчета, даст тот же результат относительно другой инерциальной системы отсчета, выбранной в другом городе, в другой день, в повернутой на некоторый угол установке, находящейся в поезде, движущемся равномерно и прямолинейно.

Следствием однородности и изотропности пространства, однородности времени являются общефизические законы сохранения импульса, момента импульса, энергии свободной частицы и изолированной системы частиц. Поскольку при каждом элементарном акте взаимодействия между двумя элементарными частицами происходит обмен элементарными частицами, обладающими определенными импульсами, моментами импульса, энергией, то импульс, момент импульса, энергия взаимодействующих частиц изменяются. Если же частицы свободны, т.е. не взаимодействуют, то импульс, момент импульса, энергия их должны оставаться неизменными.

В этом состоит природа обсуждаемых законов сохранения. Для изолированных систем частиц должны сохраняться суммарными значения импульса, момента импульса, энергии систем. Более подробно эти законы рассмотрим позже. Взаимодействие элементарных частиц происходит очень быстро, но не мгновенно, поскольку нет в природе бесконечно больших скоростей, а самая большая скорость - скорость распространения электромагнитных волн в вакууме, в частности световых: .

Впервые это было постулировано Эйнштейном в 1905 г, называется постулатом Эйнштейна и относится к общефизическим законам.

Согласно постулату Эйнштейна скорость света в вакууме в различных инерциальных системах отсчета одинакова, не зависит от скорости движения источников и приемников света и является максимально возможной скоростью в природе.

Рассмотренные общефизические понятия, идеи, модели, величины, законы сведены в таблицу 1.2.

На основании общефизических представлений далее будем последовательно

изучать основы пяти фундаментальных теорий, которые позволят составить научную картину мира с физической точки зрения.

Таблица 1.2

Дата добавления: 2014-11-16