Основные проявления фундаментальных взаимодействий в макромире

1. Фундаментальные взаимодействия: понятие и краткая история

2. Фундаментальные взаимодействия в макромире

2.1 Гравитационное взаимодействие

2.2 Электромагнетизм Заключение

Список используемой литературы Приложение макромир гравитационное электромагнитное

Издавна человек стремился познать и понять окружающий его физический мир. До конца XIX в. считалось, что атомы представляют собой неделимые частицы вещества. После революционных открытий в физике, сделанных на рубеже прошлого и нынешнего столетий, было установлено, что атомы делимы, и имеют сложное строение. Они состоят из различных более мелких частиц, взаимодействующих друг с другом, благодаря чему возможны различные атомные изменения и превращения. Эти частицы были названы элементарными.

Современные достижения физики высоких энергий все больше укрепляют представление, что многообразие свойств Природы обусловлено взаимо-действующими элементарными частицами. Оказывается, все бесконечное разнообразие физических процессов, происходящих в нашем мире, можно объяснить существованием в природе очень малого количества фундаментальных взаимодействий. В природе лишь четыре типа фундаментальных взаимодействий: слабое, сильное, электромагнитное и гравитационное. заимодействием их друг с другом объясняется упорядоченность расположения небесных тел во Вселенной. Именно они являются теми «стихиями», которые движут небесными телами, порождают свет и делают возможной саму жизнь.

Таким образом, все процессы и явления в природе, будь то падение яблока, взрыв сверхновой звезды, прыжок пингвина или радиоактивный распад веществ, происходят в результате этих взаимодействий. Структура вещества этих тел стабильна благодаря связям между составляющими его частицами.

Ведутся поиски и других типов взаимодействий, как в явлениях микромира, так и в космических масштабах, однако пока существование какого-либо другого типа взаимодействия не обнаружено.

Цель данной работы: рассмотреть основные проявления фундаментальных взаимодействий в макромире.

Работа состоит из введения, двух частей, заключения и списка используемой литературы. Общий объем работы 15 страниц.

1. Фундаментальные взаимодействия: понятие и краткая история

Фундаментальные взаимодействия — качественно различающиеся типы взаимодействия элементарных частиц и составленных из них тел, то есть самыми основными, исходными, первичными.

Процессы, в которых участвуют различные элементарные частицы, сильно различаются по характерным временам их протекания и энергиям. Современная физика рассматривает передачу взаимодействия между телами посредством тех или иных полей, непрерывно распределенных в пространстве.

На сегодня достоверно известно существование четырех фундаментальных взаимодействий. Это (в порядке возрастания интенсивности): гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное взаимодействия. Каждому типу взаимодействий отвечают определенные физические поля. При этом электромагнитное и слабое взаимодействия являются проявлениями единого электрослабого взаимодействия.

В физике механическая энергия делится на два вида — потенциальную и кинетическую энергию. Причиной изменения движения тел (изменения кинетической энергии) является сила (потенциальная энергия). 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.

Для количественного анализа перечисленных взаимодействий используют две характеристики: безразмерную константу взаимодействия, которая определяет величину взаимодействия, и радиус действия. Важнейшей характеристикой фундаментального взаимодействия является его радиус действия — максимальное расстояние между частицами, за пределами которого их взаимодействием можно пренебречь (табл.1).

Таблица 1 — Основные характеристики фундаментальных взаимодействий

При малом радиусе взаимодействие называют короткодействующим (сильное и слабое взаимодействия) и проявляются только в микромире при взаимодействии элементарных частиц на расстояниях менее 10^-12см. Их интенсивность быстро убывает при увеличении расстояния между частицами. Такие взаимодействия проявляются на небольшом расстоянии, недоступном для восприятия органами чувств. По этой причине эти взаимодействия были открыты позже других (лишь в XX веке) с помощью сложных экспериментальных установок.

При большом радиусе взаимодействие называют — дальнодействующим, оно проявляются в макромире, т. е. в мире объектов, с которыми непосредственно сталкивается человек, а также в мегамире — мире космических объектов. Такие взаимодействия медленно убывают при увеличении расстояния между частицами и не имеют конечного радиуса действия.

Фундаментальные взаимодействия элементарных частиц изображаются с помощью специальных диаграмм, на которых реальной частице соответствует прямая линия, а ее взаимодействие с другой частицей изображается либо пунктиром, либо кривой (рис.1).

Рисунок 1 — Диаграммы взаимодействий элементарных частиц

Помимо качественных различий, фундаментальные взаимодействия отличаются в количественном отношении по силе воздействия, которая характеризуется термином интенсивность. По мере увеличения интенсивности фундаментальные взаимодействия располагаются в следующем порядке: гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное. Каждое из этих взаимодействий характеризуется соответствующим параметром, называемым константой связи, численное значение которого определяет интенсивность взаимодействия. Каким образом физические объекты осуществляют фундаментальные взаимодействия между собой?

На качественном уровне ответ на этот вопрос выглядит следующим образом. Фундаментальные взаимодействия переносятся квантами. При этом в квантовой области фундаментальным взаимодействиям отвечают соответствующие элементарные частицы, называемые элементарными частицами — переносчиками взаимодействий. В процессе взаимодействия физический объект испускает частицы — переносчики взаимодействия, которые поглощаются другим физическим объектом. Это ведет к тому, что объекты как бы чувствуют друг друга, их энергия, характер движения, состояние изменяются, то есть они испытывают взаимное влияние.

Некоторые физики, в частности, Г. Джорджи и Ш. Глэшоу, предположили, что при переходе к более высоким энергиям должно произойти еще одно слияние — объединение электрослабого взаимодействия с сильным. Соответствующие теоретические схемы получили название Теории «Великого объединения». И эта теория в настоящее время проходит экспериментальную проверку. Согласно этой теории, объединяющей сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия, существует лишь два типа взаимодействий: объединенное и гравитационное.

Не исключено, что все четыре взаимодействия являются лишь частными проявлениям единого взаимодействия. Согласно идеям объединения фундаментальных взаимодействий, в Природе существует только одно единое фундаментальное взаимодействие, проявляющее себя в конкретных ситуациях как гравитационное, или как слабое, или как электромагнитное, или как сильное, или как их некоторая комбинация. Предпосылки таких предположений рассматриваются при обсуждении теории возникновения Вселенной (теория Большого Взрыва). Теория «Большого Взрыва» объясняет, как комбинация вещества и энергии породила звезды и галактики.

Все перечисленные выше силы — разные проявления этих четырех фундаментальных взаимодействий, на которых базируется взаимосвязь всех материальных объектов микро-, макрои мегамира. От радиуса действия сил зависит масштаб явлений, в которых те или иные силы играют основную роль. И ни одно из них не является излишним. Все они в равной мере необходимы для «нормального функционирования» Вселенной.

Итак, мы узнали, что такое взаимосвязь и взаимозависимость фундаментальных взаимодействий, что сильное и слабое взаимодействие характеризуют свойства микромира, а гравитационное и электромагнитное являются «принадлежностью» макромира (Приложение 1)

2. Фундаментальные взаимодействия в макромире

Изучив общее представление о фундаментальном взаимодействии, в данной главе рассмотрим фундаментальные взаимодействия в макромире.

2.1 Гравитационное взаимодействие

Гравитация (от лат. Gravitas — «тяжесть») — универсальное фундаментальное взаимодействие между всеми материальными телами.

Гравитация первым из четырех фундаментальных взаимодействий стала предметом научного исследования. В приближении малых скоростей и слабого гравитационного взаимодействия описывается теорией тяготения Ньютона, которая позволила впервые осознать истинную роль гравитации как силы природы; в общем случае описывается общей теорией относительности Эйнштейна.

Гравитационное взаимодействие характерно для всех материальных объектов вне зависимости от их природы. Всякая частица находится под действием гравитационной силы, величина которой зависит от массы и энергии частицы.

Гравитационное взаимодействие не проявляется в микромире. Оно проявляется в макромире и, особенно, в мегамире, играя первостепенную роль в структуре последнего.

Итак, гравитационное взаимодействие заключается во взаимном притяжении тел и определяется законом всемирного тяготения: между двумя точечными телами действует сила притяжения, прямо пропорциональная произведению их масс m и обратно пропорциональна квадрату расстояния r между ними.

F = G m₁ m₂ / r ² ,

где G — гравитационная постоянная, G = 6,673· 10^-11 Н· м²кг².

Для очень больших тел или же не имеющих определенной формы это выражение принимает более сложный вид.

Гравитационным взаимодействием определяется падение тел в поле сил тяготения Земли.

Законом всемирного тяготения описывается движение планет солнечной системы, нашей Галактики — Млечного Пути, а также других макрообъектов. Предполагается, что гравитационное взаимодействие обуславливается некими элементарными частицами. Такие гипотетические частицы называют гравитонами. Гравитон не обладает собственной массой и поэтому переносимая им сила является дальнодействующей. Гравитационное взаимодействие между Солнцем и Землей объясняется тем, что частицы, из которых состоят Земля и Солнце, обмениваются гравитонами. Несмотря на то, что в обмене участвуют лишь гипотетические частицы, создаваемый ими эффект, безусловно, поддаётся измерению, потому что этот эффект — вращение Земли вокруг Солнца. Реальные гравитоны распространяются в виде волн, но они очень слабые и их трудно зарегистрировать, поэтому существование их к настоящему времени экспериментально не подтверждено.

Гравитация — это очень слабая сила, которую мы вообще не заметили бы, если бы не её специфические свойства, отличающие ее от других фундаментальных взаимодействий: гравитационные силы действуют на больших расстояниях и всегда являются силами притяжения.

Гравитационное взаимодействие в классическом представлении в процессах микромира существенной роли не играет. Однако в макропроцессах ему принадлежит определяющая роль.

Наиболее удивительной особенностью гравитации является ее малая интенcивность. Гравитация является самым слабым из четырех типов фундаментальных взаимодействий. Гравитационное взаимодействие в 1039 раз меньше силы взаимодействия электрических зарядов. Однако, поскольку оно действует на любых расстояниях, и все массы положительны, это, тем не менее, очень важная сила во Вселенной.

В частности, электромагнитное взаимодействие между телами на космических масштабах мало, поскольку полный электрический заряд этих тел равен нулю (вещество в целом электрически нейтрально). Также гравитация, в отличие от других взаимодействий, универсальна в действии на всю материю и энергию. Не обнаружены объекты, у которых вообще отсутствовало бы гравитационное взаимодействие.

Как может такое слабое взаимодействие оказаться господствующей силой во Вселенной?

Все дело во второй удивительной черте гравитации — ее универсальности. Ничто во Вселенной не может избежать гравитации. Каждая частица испытывает на себе действие гравитации и сама является источником гравитации, вызывает гравитационное притяжение. Гравитация возрастает по мере образования все больших скоплений вещества. И хотя притяжение одного атома пренебрежимо мало, но результирующая сила притяжения со стороны всех атомов может быть значительной. Это проявляется и в повседневной жизни: мы ощущаем гравитацию потому, что все атомы Земли сообща притягивают нас.

Гравитационное взаимодействие прямопропорционально массе взаимодействующих тел. Из-за малости массы элементарных частиц гравитационное взаимодействие между частицами невелико по сравнению с другими видами взаимодействия, поэтому в процессах микромира это взаимодействие несущественно. При увеличении массы взаимодействующих тел (т.е. при увеличении числа содержащихся в них частиц) гравитационное взаимодействие между телами возрастает прямо пропорционально их массе.

Гравитация дальнодействующая сила природы. Это означает, что как бы массивное тело ни двигалось, в любой точке пространства гравитационный потенциал зависит только от положения тела в данный момент времени.

В макромире при рассмотрении движения планет, звезд, галактик, а также движения небольших макроскопических тел в их полях гравитационное взаимодействие становится определяющим.

Большие космические объекты — планеты, звезды и галактики имеют огромную массу и, следовательно, создают значительные гравитационные поля.

Благодаря дальнодействию гравитация не позволяет Вселенной развалиться на части: она удерживает планеты на орбитах, звезды в галактиках, галактики в скоплениях, скопления в Метагалактике.

Из-за глобального характера гравитация ответственна и за такие крупномасштабные эффекты, как структура галактик, черные дыры и расширение Вселенной, и за элементарные астрономические явления — орбиты планет, и за простое притяжение к поверхности Земли и падения тел. Оно удерживает атмосферу, моря и все живое и неживое на Земле, Землю, вращающуюся по орбите вокруг Солнца, Солнце в пределах Галактики.

Гравитационное взаимодействие играет главную роль в процессах образования и эволюции звезд.

Сила гравитации, действующая между частицами, всегда представляет собой силу притяжения: она стремится сблизить частицы. Гравитационное отталкивание еще никогда не наблюдалось.

2.2 Электромагнетизм

Электромагнитное взаимодействие существует между частицами, обладающими электрическим зарядом. С современной точки зрения электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами осуществляется не прямо, а только посредством электромагнитного поля.

Электромагнитное взаимодействие проявляется и в микромире, и в макромире, и в мегамире, но играет решающую роль в структуре макромира. Это взаимодействие в тысячу раз слабее сильного, но действует на гораздо больших расстояниях, чем оно. В результате него электроны и атомные ядра соединяются в атомы, атомы — в молекулы, молекулы — в макротела и т. д.

Электромагнитное взаимодействие связано с электрическими и магнитными полями. Электрические поля возникают при наличии электрических зарядов, а магнитные — при их движении. В природе существуют положительные и отрицательные заряды, это и определяет характер электромагнитного взаимодействия: оно действует между электрически заряженными частицами. В отличие от гравитационных сил, которые являются силами притяжения, одинаковые по знаку заряды отталкиваются, разноименные — притягиваются.

Различные агрегатные состояния веществ, явление трения, упругие и другие свойства вещества определяются преимущественно силами межмолекулярного взаимодействия, которые по своей природе являются электромагнитными.

Электромагнитное взаимодействие описывается законом Ш. Кулона.

Сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел прямо пропорциональна произведению абсолютных значений зарядов q₁ и q₂ и обратно пропорциональна квадрату расстояния r между телами.

F = k q₁ q₂ / r ²,

где k — коэффициент пропорциональности, k = 9· 10⁹ Н· м Кл ².

Наиболее общее описание электромагнитного взаимодействия дает электромагнитная теория Максвелла, основанная на фундаментальных уравнениях, связывающих электрическое и магнитное поля.

В мегамире электромагнитное взаимодействие звезд пренебрежимо мало по сравнению с гравитационным: т.к. звезды электронейтральны, а расстояние между ними очень большое.

Электромагнитное взаимодействие заряженных частиц намного сильнее гравитационного, и единственная причина, по которой электромагнитное взаимодействие не проявляется с большой силой на космических масштабах — электрическая нейтральность материи, то есть наличие в каждой области Вселенной с высокой степенью точности равных количеств положительных и отрицательных зарядов.

Поскольку по величине электрические силы намного превосходят гравитационные, то в отличие от слабого гравитационного взаимодействия электрические силы, действующие между телами обычных размеров, можно легко наблюдать. Электромагнетизм известен людям с незапамятных времен (полярные сияния, вспышки молнии и др.). В течение долгого времени электрические и магнитные процессы изучались независимо друг от друга. Существование электрона (единицы электрического заряда) было твердо установлено в 90-е гг. XIX в.

Но не все материальные частицы являются носителями электрического заряда. Электрически нейтральны, например, фотон и нейтрино. В этом электричество и отличается от гравитации. Все материальные частицы создают гравитационное поле, тогда как с электромагнитным полем связаны только заряженные частицы. Долгое время загадкой была и природа магнетизма. Как и электрические заряды, одноименные магнитные полюсы отталкиваются, а разноименные — притягиваются. В отличие от электрических зарядов магнитные полюсы встречаются не по отдельности, а только парами — северный полюс и южный. Хорошо известно, что в обычном магнитном стержне один конец действует как северный полюс, а другой — как южный. Еще с древнейших времен известны попытки получить посредством разделения магнита лишь один изолированный магнитный полюс — монополь. Но все они заканчивались неудачей: на месте разреза возникали два новых магнита, каждый из которых имел и северный, и южный полюсы. Может быть, существование изолированных магнитных полюсов в природе исключено? Определенного ответа на этот вопрос пока не существует.

Электрическая и магнитная силы (как и гравитация) являются дальнодействующими, их действие ощутимо на больших расстояниях от источника. Электромагнитное взаимодействие проявляется на всех уровнях материи — в мегамире, макромире и микромире. Электромагнитное поле Земли простирается далеко в космическое пространство; мощное поле Солнца заполняет всю Солнечную систему; существуют и галактические электромагнитные поля. К нему сводятся все обычные силы: силы упругости, трения, поверхностного натяжения, им определяются агрегатные состояния вещества, оптические явления и др.

Таким образом, нашу Вселенную формируют силы всего четырех типов. Масштаб явлений, определяемых каждой фундаментальной силой, зависит от радиуса её действия. Тяготение проявляется главным образом в астрономическом и космологическом масштабах, электромагнитные силы — в так называемом макромире, то есть в мире человеческой деятельности, от размеров Земли до расстояний порядка атомных. Короткодействующие ядерные силы, как бы велики и важны они ни были, совершенно не участвуют в явлениях на таких масштабах.

На расстояниях настолько ничтожных, что атомное ядро по сравнению с ними — все равно, что Галактика по сравнению с обычными человеческими размерами, в игру снова вступает тяготение. На таких расстояниях сама геометрия нашего мира никогда не остается в покое — она непрерывно флуктуирует, «дышит». Но геометрия мира, его пространственно-временная кривизна — это и есть гравитация. Поэтому у известного американского физика Ш. Глешоу четыре фундаментальные силы, которые формируют всю нашу Вселенную, ассоциируются со змеей, кусающей себя за хвост.

Заключение

Итак, многие основополагающие концепции современного естествознания прямо или косвенно связаны с описанием фундаментальных взаимодействий. Согласно современным представлениям, различают взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное, слабое. Все встречающиеся в природе взаимодействия являются либо проявлением одного из указанных вида взаимодействия либо их комбинацией, на которых базируется взаимосвязь всех материальных объектов микро-, макрои мегамира. От радиуса действия сил зависит масштаб явлений, в которых те или иные силы играют основную роль. И ни одно из них не является излишним. Все они в равной мере необходимы для «нормального функционирования» Вселенной.

Гравитационное взаимодействие — фундаментальное взаимодействие, которое не проявляется в микромире, а проявляется в макромире и мегамире, играет решающую роль в структуре мегамира и лежит в основе образования, эволюции и движения мегаобъектов (планет, звезд, галактик и т. п.), так как представляет собой не что иное, как всемирное тяготение (взаимное притяжение огромных космических объектов — планет и звезд). Расстояние, на котором оно действует, неограниченно.

Большинство элементарных частиц имеют заряд, с которым связано электромагнитное взаимодействие, в природе существуют два типа заряда (положительный и отрицательный). Именно электромагнитные силы ответственны за стабильность атомов, они же определяют строение молекул и протекание химических реакций.

Если бы не взаимодействия, то частицы материи двигались бы независимо; «не подозревая» о существовании других частиц. Благодаря взаимодействиям частицы как бы обретают способность распознавать другие частицы и реагировать на них, в результате чего рождается коллективное поведение. Однако, если принять во внимание все многообразие свойств окружающего нас Мира, то кажется совершенно удивительным, что в Природе есть только четыре фундаментальных взаимодействия, ответственных за все явления Природы.

Список используемой литературы

1. Бондарев, В. П. Концепции современного естествознания / В. П. Бондарев. — М.: Альфа. 2009. — 464 с.

2. Гусев, Д. А. Концепции современного естествознания. Учебный курс / Д. А. Гусев. — М.: МИЭМП, 2008. — 272 с.

3. Жилко, В. В. Физика Уч. Пособие для 11 класса / В. В. Жилко, А. В. Лавриненко, Л. Г. Маркович. — Мн.: Народная асвета, 2004. — 80 с.

4. Иваненко, Д. Д. Гравитация / Д. Д. Иваненко, Г. А. Сарданашвили. — М.: УРСС, 2008. — 200 с.

5. Панкратов С. Фундаментальные силы в природе / С. Панкратов // Наука и жизнь. — 1987. — № 5.

Приложение 1

Приложение 2