Фундаментальные взаимодействия в природе и их особенности - Эволюция вещества во Вселенной

Фундаментальные взаимодействия -- качественно различающиеся типы взаимодействия элементарных частиц и составленных из них тел.

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 основной вид межатомного взаимодействия -- электромагнитное, то, как оказалось, большинство этих сил -- лишь различные проявления электромагнитного взаимодействия. Одно из исключений составляет, например, сила тяжести, причиной которой является гравитационное взаимодействие между телами, обладающими массой.

К началу XX века выяснилось, что все известные к тому моменту силы сводятся к двум фундаментальным взаимодействиям: электромагнитному и гравитационному.

В 1930-е годы физики обнаружили, 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.

К настоящему времени известны четыре вида основных фундаментальных взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное, слабое.

Гравитационное взаимодействие характерно для всех материальных объектов вне зависимости от их природы. Оно заключается во взаимном притяжении тел и определяется фундаментальным законом всемирного тяготения. Ньютон решил, что именно Солнце может являться источником сил, управляющих движением планет. Анализируя эмпирические законы Кеплера, он убедился, что отклонения движения планет от прямой в точности радиальны, что является следствием того, что все силы направлены точно к Солнцу. Кроме того, из анализа третьего закона Кеплера можно сделать вывод, что чем дальше от Солнца планета, тем слабее сила. Сравнивая движение двух планет на разных расстояниях, Ньютон пришел к выводу, что силы притяжения их к Солнцу обратно пропорциональны квадратам расстояний от планет до Солнца. Сочетая оба закона, он заключил, что должна существовать сила, обратная квадрату расстояния и направленная по прямой между Солнцем и планетой.

Будучи человеком, склонным к обобщениям, Ньютон предположил, что эта связь применима не только к Солнцу, удерживающему планеты, но что она носит более общий характер. Он предположил, что такая же сила удерживает Луну вблизи Земли, удерживает нас на Земле, что эта сила всеобщая и что все притягивается ко всему.

Ньютон связал способность одного тела притягивать другое с их массами: сила притяжения любых двух тел прямо пропорциональна произведению масс этих тел, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и направлена вдоль прямой, соединяющей эти тела:

Коэффициент пропорциональности G=6.672Ч 10-11 НЧ м2/кг2. Он называется постоянной всемирного тяготения, или гравитационной постоянной, и одинаков для всех тел в природе.

Это позволило очень легко объяснить опыты Галилея. Брошенные им с Пизанской башни легкая пуля и тяжелое ядро падали под действием силы тяготения Земли. Под ее влиянием они получали одинаковое ускорение 9.8 м/с2, которое определяется массой Земли M " 6 Ч 1024 кг и ее радиусом R " 6378 км (радиус R много больше высоты башни h):

Закон всемирного тяготения Ньютона позволил с высокой точностью определить орбиты планет Солнечной системы, благодаря ему была строго доказана справедливость законов Кеплера. Для самого Ньютона наиболее важным доводом в пользу этого закона послужило полученное им доказательство того, что притяжение Земли действует и на Луну. Анализ движения Луны, проведенный Ньютоном на основе закона всемирного тяготения, с высокой точностью совпадал с астрономическими наблюдениями.

Закон тяготения объяснил многие явления, прежде не совсем понятные и таинственные. Например, периодическое повышение уровня воды морей и океанов, называемое приливом и связанное с притяжением воды Луной.

Закон тяготения Ньютона позволил сделать множество ценных предсказаний, он позволил глубже понять устройство окружающего мира. Знание о существовании тяготения позволяет понять, например, почему Земля круглая (ну, почти круглая): так как между всеми телами существует притяжение, то и все, из чего возникла Земля, тоже взаимно притягивалось до тех пор, пока было куда притягиваться. Из закона тяготения, таким образом, следует, что и Солнце, и Луна, и Земля, и другие планеты, и звезды, которые по современным представлениям возникли в результате взаимного притяжения частиц межзвездных пылевых облаков, должны быть приблизительно шарами.

Притягиваясь друг к другу подобно частицам космической пыли, звезды (расстояние между которыми измеряется в световых годах!) вместе со своими планетами образуют звездные скопления. Взаимное притяжение звездных скоплений (расстояния между которыми достигают сотен тысяч световых лет!) приводит к образованию галактик, а галактики образуют скопления галактик.

Трудно даже представить себе мир, в котором не было бы тяготения. Трудно даже представить, как развивалась бы наука без открытия Ньютоном основных законов механики и закона всемирного тяготения. Вместо царивших в прежние века неуверенности, сомнений, бесконечных споров и парадоксов перед людьми предстали четкие и простые законы окружающего мира. Как важно было, что все луны, все планеты, все звезды подчиняются столь простым правилам! Но еще важнее оказалось то, что человек оказался в состоянии понять эти правила и сделать с их помощью предсказания на будущее. У людей появилась надежда, что и в других явлениях мира прячутся такие же простые закономерности. Второй закон Ньютона дает нам простой рецепт вычисления ускорения тел, а значит - вычисления всех характеристик их движения на основе анализа сил, действующих на эти тела. Таким образом, этот закон предполагает, что силы обладают некоторыми независимыми свойствами, которые еще предстоит выяснить.

Одно из важнейших свойств силы - ее материальное происхождение. Говоря о силе, мы всегда неявно предполагаем, что когда нет физических тел, то сила равна нулю. Если мы видим, что сила не равна нулю, мы ищем по соседству ее источник. Можно сделать вывод: на тело действует столько сил, сколько других тел находится по соседству. При этом ускорение рассматриваемого тела будет определяться результирующей силой, равной геометрической сумме (ведь сила - это вектор!) всех сил, действующих на тело.

В этих утверждениях есть нечто новое: мы поняли, что анализ силы вообще, действующей на тело, может быть сведен к анализу более простых сил, действующих между рассматриваемым телом и другим каким-то телом из его окружения.

Примером такой простой силы является сила тяготения. Формулируя свой закон тяготения Ньютон отвечал на вопрос: что такое сила и как ее вычислить? Если бы ничего, кроме тяготения, не существовало, то сочетание закона тяготения и второго закона Ньютона оказалось бы завершенной теорией. Но кроме сил тяготения в природе существуют и другие силы.

Первое, что приходит в голову, когда мы говорим о силах в природе,- это сила тяжести, действующая на все тела вблизи поверхности Земли. Но теперь-то мы знаем, что сила тяжести - это просто частный случай силы тяготения, действующей между всеми телами, обладающими массой. Величина этой силы определяется законом тяготения Ньютона:

К силам тяготения можно свести и силу, действующую на все тела, погруженные в жидкости или газы:

(здесь r - плотность жидкости (газа), V - объем погруженной в эту жидкость (газ) части тела). Об этом говорит хотя бы величина ускорения свободного падения g, входящая в выражение.

Сила впервые была описана еще знаменитым Архимедом. Ее действие всегда сводится к тому, что жидкость (газ) стремится вытолкнуть всякое погруженное в нее тело. При определенных условиях эта сила может быть даже больше или равна силе тяжести, действующей на тело. И тогда это тело не тонет. Именно действием силы Архимеда можно объяснить плавание больших, тяжелых кораблей в океанах, "плавание" воздушных шаров и т. д.

Следующая сила, с которой мы чаще всего встречаемся на практике - это сила трения скольжения. Эта сила всегда возникает при скольжении одного тела по поверхности другого и препятствует движению, т. е. направлена против скорости движения. Опыт показывает, что величина силы трения пропорциональна величине силы реакции опоры, действующей на движущееся тело со стороны поверхности соприкосновения и всегда направленной перпендикулярно этой поверхности:

Коэффициент трения m зависит от многих факторов: от природы соприкасающихся тел (т. е. от рода вещества), температуры, от того, смазаны соприкасающиеся поверхности или нет, от вида смазки и т. д. Уже это указывает на то, что сила трения не является такой простой, как сила тяготения. И действительно, она может рассматриваться как результирующая более простых сил взаимодействия между атомами - мельчайшими частицами, из которых состоят движущееся тело и поверхность.

К силам взаимодействия между отдельными атомами может быть сведена и сила трения иного рода - сила сопротивления, действующая на тела, движущиеся в жидкостях или газах. Наблюдения показывают, что эта сила действует всегда против скорости движения и пропорциональна величине этой скорости:

(b - коэффициент сопротивления, зависящий от природы жидкости или газа).

Взаимодействием между атомами объясняется сила упругости, возникающая при деформации упругих тел (пружин, реальных нитей, стержней и т. п.), которая стремится вернуть их в исходное, недеформированное, состояние и пропорциональна величине деформации х:

(k - коэффициент жесткости, различный для разных тел).

Но даже силы взаимодействия между атомами, из которых состоят все предметы, все окружающие нас вещества, не являются простыми и, в свою очередь, могут быть сведены к силам, действующим между электрическими зарядами, образующими атом. Величина этих электрических сил, как показывает опыт, определяется таким же простым законом, как и закон всемирного тяготения. Она пропорциональна величине зарядов q1 и q2 и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

Закон взаимодействия зарядов был впервые опубликован в работах французского инженера и физика Шарля Огюстена Кулона (Coulomb, 1736-1806) и очень похож на закон тяготения Ньютона. Сила Кулона направлена вдоль прямой, соединяющей заряды, но, в отличие от силы тяготения, может быть как силой притяжения, так и силой отталкивания. Дело в том, что в природе обнаружены заряды двух видов, или, как говорят, двух знаков ("+" и "-"). При этом заряды одного знака (одноименные) отталкиваются, а заряды противоположных знаков (разноименные) притягиваются друг к другу.

Примеры сил, действующих в природе, которые мы рассмотрели выше, показывают, что есть простые, или фундаментальные, силы, которые уже не сводятся ни к каким другим типам сил, и есть силы, которые можно рассматривать как результат суммарного действия более простых сил.

К фундаментальным силам природы можно отнести:

    1) силы тяготения, действующие между любыми телами, обладающими массой; 2) электрические силы, действующие между любыми телами, обладающими зарядом; 3) силы магнитного взаимодействия, действующие между любыми движущимися зарядами; 4) силы, которые называют силами слабого взаимодействия, их действие проявляется в процессах взаимного превращения мельчайших частиц материи, называемых элементарными частицами; 5) ядерные силы, действующие между частицами, входящими в состав атомного ядра.

Удивительно, что все многообразие явлений природы можно, в принципе, объяснить действием всего пяти типов сил! Подобно тому, как в основе мира музыки лежат всего семь нот, в основе несопоставимо более богатого явлениями и красочного мира Природы лежат всего пять (даже не семь!) фундаментальных взаимодействий. Больше того, в настоящее время можно с определенностью сказать, что пять - это даже преувеличение. Дело в том, что некоторые фундаментальные взаимодействия, о которых мы говорили выше, просто упомянуты нами несколько раз.

Открытие английским физиком Майклом Фарадеем еще в XIX веке закона электромагнитной индукции показало, что электрические и магнитные силы - это всего лишь различные проявления единого электромагнитного взаимодействия зарядов. А открытия ученых последних лет, которые стали возможны только с появлением мощных ускорителей элементарных частиц, показали, что и слабое взаимодействие частиц нельзя рассматривать отдельно от электромагнитного. Родилась теория единого электрослабого взаимодействия. Таким образом, сегодня уже можно говорить не о пяти, а о трех (!) фундаментальных силах, к которым могут быть сведены все остальные силы, действующие в природе: тяготение, электрослабые силы и ядерные силы.

Итак, мы сделали обзор основных сведений, касающихся четырех фундаментальных взаимодействий Природы. Кратко описаны микроскопические и макроскопические проявления этих взаимодействий, картина физических явлений, в которых они играют важную роль. Везде, где это было возможно, мы старались проследить тенденцию объединения, отметить общие черты фундаментальных взаимодействий, привести данные о характерных масштабах явлений

Похожие статьи




Фундаментальные взаимодействия в природе и их особенности - Эволюция вещества во Вселенной

Предыдущая | Следующая