1.06 Развитие представлений о взаимодействии

Взаимодействие в физике – это воздействие тел или частиц друг на друга, приводящее к изменению состояния их движения

Аристотель(IVвек до н.э.) рассматривал взаимодействие как одностороннее воздействие движущего на движимое. Им рассматривалась передача воздействия только через контакт между телами (т.е. рассматривалась только контактная сила), что и было первоначальной формой концепции близкодействия

В классической механике(в механической картине мираXVIII–XIXвека) взаимное действие тел друг на друга характеризуется силой. В основе представлений о взаимодействии, в этой теории, лежат два закона:

- III закон Ньютона (объясняющий взаимодействие двух тел): силы, с которыми действуют друг на друга взаимодействующие тела, равны по величине и противоположно направлены. Этот закон применим как для контактирующих тел, так и для взаимодействующих на расстоянии

- закон всемирного тяготения: два материальных тела, разделенные пространством, притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними и направленной вдоль прямой, соединяющей их (F=G*m₁*m₂/r²)

Вышеуказанные законы сформулированы для двух взаимодействующих тел. Для определения взаимодействия нескольких тел применяется принцип суперпозиции: результат воздействия на частицу нескольких внешних сил (полей) есть сумма результатов воздействия каждой из сил (каждого из полей)

В классической механике Ньютона, при взаимодействии тел на расстоянии, принята концепция дальнодействия: взаимодействие материальных тел не требует материального посредника (может передаваться через пустоту); взаимодействие передается мгновенно. Закон всемирного тяготения является примером дальнодействия (непосредственного взаимодействия тел на расстоянии)

Классическая электродинамика(XIXвек) (электродинамика Максвелла) – классическая теория электромагнитного взаимодействия.

В электродинамике Максвелла впервые возникло представление о полевом механизме взаимодействия:

- передача взаимодействия осуществляется материальным посредником – электромагнитным полем (в частном случае – электрическим или магнитным полем)

- электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное – при их движении, т.е. движущиеся заряды создают в пространстве электромагнитное поле

- полевой механизм передачи взаимодействия заключается в том, что если заряд создает соответствующее поле, то именно оно и действует на другие заряды

- колеблющиеся электрические заряды порождают электромагнитные волны, в которых происходит периодическая «перекачка» электрического поля в магнитное и обратно

В электродинамике Максвелла утвердилась концепция близкодействия:

- каждое действие на расстоянии должно происходить через материальных посредников

- скорость передачи воздействия ограничена

Согласно этой концепции, любое воздействие на материальный объект передается от источника последовательно между точками пространства. Именно поэтому это воздействие передается за конечный промежуток времени

В современной картине мира(XXвек) формулируется:

- представление о квантово-полевом механизме передачи взаимодействий

- взаимодействие осуществляется посредником – квантами полей

- передача взаимодействия основывается на концепции близкодействия

В настоящее время известны четыре вида фундаментальных взаимодействий в природе. Для всех четырех видов взаимодействия общим является:

- все фундаментальные взаимодействия носят обменный характер

При обменном взаимодействии, объекты действуют друг на друга, испуская и поглощая виртуальные частицы (виртуальными частицаминазываются такие частицы, которые невозможно экспериментально обнаружить в ходе обменного процесса)

Представим все четыре вида фундаментальных взаимодействий в порядке убывания их интенсивности (от более сильного взаимодействия к более слабому):

Сильное (ядерное) взаимодействие:

- ответственно за устойчивость (стабильность) атомных ядер, обеспечивая связь нуклонов в ядре, т.е. ему подвержены протоны и нейтроны

- превосходит силы электростатического отталкивания протонов в ядре и обеспечивает силы притяжения между ними

- является короткодействующим и сосредоточено на расстояниях, не превышающих размеры ядра атома

- переносчиками сильного взаимодействия являются виртуальные частицы – глюоны(масса покоя их равна нулю)

- глюоны «склеивают» кварки, входящие в состав протонов, нейтронов и др. частиц

Электромагнитное взаимодействие, характеризующее взаимодействие электрических зарядов, токов, электрических полей, сформулировано квантовой электродинамикой:

- связывает: электроны и ядра в атомы; атомы – в молекулы; молекулы – в тела

- переносчиками электромагнитного взаимодействия являются виртуальные частицы – кванты электромагнитного поля – фотоны(масса покоя их равна нулю)

- радиус взаимодействия не ограничен (но преобладает в области масштабов от радиуса атома до нескольких километров)

Слабое взаимодействие (или слабое ядерное взаимодействие):

- им обусловлены процессы радиоактивного распада атомных ядер многих изотопов (типичный пример: процесс бета-распада ядра, в ходе которого свободный нейтрон распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино)

- радиус действия (порядка 10^-17м) во много раз меньше размера ядра атома

- переносчиками являются виртуальные частицы – промежуточные векторные бозоны– частицы с массой, примерно в 100 раз большей массы протонов и нейтронов

- играет важную роль в термоядерных реакциях (процессах), ответственных за энерговыделение в звездах, способствуя медленному протеканию ядерных процессов, обеспечивает длительное «горение» звезд и Солнца

- называется слабым, поскольку два других взаимодействия, значимые для ядерной физики (сильное и электромагнитное), характеризуются значительно большей интенсивностью

Гравитационное взаимодействиесамое слабое из всех и характерно для всех материальных объектов вне зависимости от их природы:

- определяет движение планет в звездных системах, движение галактик, управляет эволюцией Вселенной

- ему подвержены все частицы, поля, волны

- радиус взаимодействия не ограничен

- переносчиками гравитационного взаимодействия являются виртуальные частицы – кванты гравитационного поля – гравитоны

- масса покоя гравитона равна нулю. До настоящего времени гравитоны экспериментально не обнаружены

- общепринятой теорией гравитационного взаимодействия является общая теория относительности, которая предсказывает существование гравитационных волн, носителем которых и может быть гравитон

Если интенсивность сильного взаимодействия принять за единицу, то относительные интенсивности других взаимодействий имеют следующие значения:

- электромагнитного – 10^-2(т.е. в 100 раз слабее сильного)

- слабого – 10^-14

- гравитационного – 10^-31

От интенсивности взаимодействия зависит время, в течение которого совершаются превращения элементарных частиц:

- ядерные реакции (сильное взаимодействие) происходят в течение 10^-24– 10^-23с

- изменения, обусловленные электромагнитным взаимодействием, осуществляются в течение 10^-21– 10^-19с

- изменения, обусловленные слабым взаимодействием (например, распад частиц) – в основном происходят в течение 10^-10с.

Таким образом, в микромире процессы, происходящие за счет слабого взаимодействия, протекаю достаточно медленно, по сравнению с процессами, за которые отвечают электромагнитное и сильное взаимодействия.