Фундаментальные взаимодействия

История науки знает множество попыток представить сложные процессы во Вселенной в виде определенных схем. Успешное познание окружающего мира и приведение наблюдаемых явлений к простейшим понятиям возможны лишь в том случае, если мы сумеем описать мир в терминах ограниченного числа фундаментальных взаимодействий.

В основе научного мировоззрения лежат представления о материи. По определению В. И. Ленина, материя - это философская категория для обозначения объективной реальности, которая отображается нашими ощущениями и существует независимо от них. С понятием материи связано бесконечное множество существующих в мире объектов и систем, проявляющих все реально существующие свойства, связи и формы движения. Неотъемлемый атрибут материи- движение. Материи присущи саморазвитие, превращение одних состояний и форм в другие. Всеобщие формы бытия - пространство и время. Универсальное свойство материи - отражение.

Современная наука изучает как неживую материю, так и особые типы материальных систем- живую материю (совокупность организмов, способных к воспроизводству) и социально организованную материю (общество).

Философия занимается исследованием наиболее общих свойств материи, а естествознание, напротив, изучает свойства, структуру и превращение конкретных видов материи.

Научное мировоззрение исходит из принципа материального единства мира. Что за этим стоит? Во-первых, любая часть доступной для наблюдения Вселенной развивается из общего начального (сингулярного) состояния, претерпевшего Большой взрыв. Во-вторых, вся совокупность химических элементов, существующих во Вселенной, возникла в результате процессов ядерных реакций в недрах звезд. Это подтверждают результаты спектрального анализа звезд, туманностей, планет. В-третьих, во Вселенной действуют единые естественнонаучные законы (с учетом масштабирования).

Стр. 31

Согласно современным представлениям, в природе существуют четыре основных типа фундаментальных взаимодействий - гравитационное, электростатическое, электромагнитное и ядерное (сильное). Каждое из четырех взаимодействий имеет сходство с тремя остальными и в то же время свои отличия. Так, интенсивность гравитационного, электростатического и электромагнитного взаимодействий убывает с расстоянием по закону: а интенсивность ядерного взаимодействия - по закону . Первые три фундаментальных взаимодействия считают слабыми, а ядерное взаимодействие - сильным.

Гравитационное взаимодействие. Гравитация как один из типов фундаментальных взаимодействий первой стала предметом научного исследования. Созданная в XVII в. ньютоновская теория гравитации (закон всемирного тяготения) позволила осознать истинную роль гравитации как силы природы.

Гравитация обладает малой интенсивностью. Гравитационное взаимодействие в 10³⁹ раз меньше силы взаимодействия электрических зарядов.

Второй удивительной чертой гравитации является ее универсальность. Каждая частица во Вселенной испытывает на себе действие гравитации и сама является источником гравитации, вызывает притяжение.

Кроме того, гравитация - дальнодействующая сила природы. Это означает, что, хотя интенсивность гравитационного взаимодействия убывает с расстоянием, оно распространяется в пространстве на бесконечно большие расстояния. В астрономическом масштабе гравитация формирует космические образования (звездные системы, галактики, группы галактик и т. д.).

Электрическое и электромагнитное взаимодействия. По величине, электрические и магнитные силы намного превосходят гравитационные.

В течение долгого времени электрические и магнитные процессы изучались независимо друг от друга. В середине XIX в. Дж Максвелл объединил электричество и магнетизм в теорию электромагнетизма- первую часть единой теории поля. Все материальные частицы создают гравитационное поле, тогда как с электромагнитным полем связаны только заряженные частицы.

Электрически заряженные частицы притягиваются (отталкиваются). Сила их взаимодействия также является дальнодействующей. Электромагнитное взаимодействие обусловлено движением электрических зарядов и проявляется на всех уровнях существования материи - в мега-, макро- и микромире. Как и гравитация, оно подчиняется закону обратных квадратов.

Стр. 32

Ядерное (сильное) взаимодействие. Данное взаимодействие проявляется только между частицами, принадлежащими к классу адронов (протоны, нейтроны), и не зависит от электрических зарядов взаимодействующих частиц Сильное взаимодействие является источником огромной энергии и осуществляется с участием кварков. В недрах Солнца и звезд непрерывно протекают термоядерные реакции, вызываемые сильным взаимодействием.

К представлению о существовании сильного взаимодействия физика шла в ходе изучения структуры ядра. Выяснилось, что хотя по своей величине сильное взаимодействие существенно превосходит все остальные взаимодействия, но за пределами ядра оно не ощущается, так как радиус его действия не превышает 10^{-15 м (короткодействующее взаимодействие).}

Обычно для количественного анализа перечисленных взаимодействий используют две характеристики: безразмерную константу взаимодействия и радиус действия (табл. 2).

Таблица 2 Константы взаимодействия

Тип взаимодействия	Константа взаимодействия	Радиус действия, м
Гравитационное Электрическое, электромагнитное Сильное	6 10^-39 1/137	(0,1-1,0) 10^-15

Из табл. 2 видно, что константа гравитационного взаимодействия самая малая. Радиус его действия, как и электромагнитного взаимодействия, неограничен. Гравитационное взаимодействие (в классическом представлении) в процессах микромира существенной роли не играет. Однако в мегамире ему принадлежит определяющая роль. Например, движение планет Солнечной системы происходит в строгом соответствии с законами гравитационного взаимодействия.

Сильное взаимодействие отвечает за устойчивость ядер и распространяется только в пределах ядра. Чем сильнее взаимодействуют нуклоны в ядре, тем оно устойчивее и тем больше его энергия связи. Так, ядра химических элементов, находящихся в конце таблицы Менделеева, неустойчивы и могут распадаться. Такой процесс часто называют радиоактивным распадом.

Стр. 33

Взаимодействие между атомами и молекулами имеет преимущественно электромагнитную природу. Таким взаимодействием объясняется образование различных агрегатных состояний вещества: твердого, жидкого и газообразного.

Познание есть обобщение действительности, и поэтому цель науки -поиск единства в природе, связывание разрозненных фрагментов знания в единую картину. Для того чтобы создать единую систему, нужно открыть глубинное связующее звено между различными отраслями знания, некоторые фундаментальные отношения. Поиск таких связей и отношений - одна из главных задач научного познания. Всякий раз, когда удается установить такие новые связи, значительно углубляется понимание окружающего мира, формируются новые способы познания, которые указывают путь к неизвестным ранее явлениям

Так, существует точка зрения, что все четыре фундаментальных взаимодействия (или хотя бы три) представляют собой явления одной природы и может быть найдено их единое теоретическое объяснение – «Великое объединение». Перспектива создания единой теории мира физических элементов (на основе одного - единственного взаимодействия) остается пока весьма привлекательной.

Естествознание - совокупность наук о природе - изучает материальный мир во всем многообразии его существования и превращений. Материя как объективная реальность проявляется в двух формах: вещества и поля. Обе формы находятся в тесной связи.

Вещество - такая форма материи, которая проявляется прежде всего в виде частиц, имеющих собственную массу (массу покоя). Это материя на разных уровнях ее организации: элементарные частицы, атомные ядра, атомы, молекулы, агрегаты молекул, кристаллы, жидкости, газы, горные породы и т. д.

Поле (гравитационное, электромагнитное, внутриядерное) - такая форма материи, которая характеризуется прежде всего энергией, а не массой, хотя и обладает последней.

В соответствии с современными представлениями материя дискретна. Любое тело и любое поле состоят из «элементарных» тел и «элементарных» полей, т. е. микрочастиц и микрополей.

Как уже отмечалось ранее, микрочастицы подразделяются на два класса: адроны и лептоны.

Стр. 34

Перечень известных частиц не исчерпывается пептонами и адронами, образующими строительный материал вещества. Есть частицы, которые не являются строительным материалом материи, а непосредственно обеспечивают четыре фундаментальных взаимодействия, т. е. образуют своего рода «клей», не позволяющий миру распадаться на части.

Переносчиком электромагнитного взаимодействия выступает протон.

Переносчики сильного взаимодействия - глюоны, связывающие кварки попарно или тройками.

Слабое взаимодействие осуществляется с помощью частиц, которые называются бозоны. Они были открыты в 1983 г.

В настоящее время высказывается мнение (пока экспериментально не подтвержденное), что возможно существование и переносчиков гравитационного взаимодействия- гравитонов. Подобно фотонам, гравитоны движутся со скоростью света, следовательно, это частицы с нулевой массой покоя. На этом сходство между данными частицами исчерпывается.

Дата добавления: 2014-11-29