Доклад: Фундаментальные физические взаимодействия

Тольяттинский Государственный Университет

Доклад

по концепции современного естествознания на тему:

«Фундаментальные физические взаимодействия»

студентки II курса

факультета иностранных языков

Ошкиной О.В.

2004 г

Во второй половине ХХ в. физики, занятые изучением фундаментальной структуры

материи, получили удивительные результаты. Было открыто множество новых

субатомных частиц. Их обычно называют элементарными частицами, но далеко не

все из них действительно элементарны. Многие из них в свою очередь состоят из

еще более элементарных частиц.

Новые частицы обычно открывают в реакциях рассеяния уже известных частиц. Для

этого сталкивают частицы с как можно большими энергиями, а затем исследуют

продукты их взаимодействия и фрагменты, на которые распались образовавшиеся

частицы. В наше время ускорители, создающие интенсивные пучки частиц с

высокими энергиями.

Мир су6атомных частиц поистине многообразен. Среди них и «кирпичики», из

которых построено вещество: составляющие атомные ядра протоны и нейтроны, а

также электроны, обращающиеся вокруг ядер. Но есть и такие частицы, которые в

окружающем нас веществе практически не встречаются - резонансы. Время их

жизни - мельчайшие доли секунды. По истечении этого чрезвычайно короткого

вре­мени они распадаются на обычные частицы. Таких нестабильных

короткоживущих частиц поразительно много: их известно уже свыше трех сотен.

В 50-70-е гг. физики были совершенно сбиты с толку многочисленностью,

разно­образием и необычностью вновь открытых субатомных частиц. Если в конце

40-х гг. было известно 15 элементарных частиц, то в конце 70-х гг. уже около

четырехсот.

Совершенно непонятно, для чего столько частиц: являются ли элементарные

частицы хаотическими и случайными осколками материи или, возможно, за

взаимодействиями этих частиц скрывается некоторый порядок, указывающий на

существование фундаментальной структуры субъядерного мира. Развитие физики в

последующие десятилетия показало, что в существовании такой структуры нет

никаких сомнений. Миру су6атомных частиц присущи объективные закономерности и

глубокий структурный порядок. В основе этого порядка - фундаментальные

физические взаимодействия.

В свой повседневной жизни человек сталкивается с множеством сил, действующих

на тела: сила ветра или потока воды; давление воздуха; мощный выброс

взрывающихся химических веществ; мускульная сила человека; вес предметов;

давление квантов света; притяжение и отталкивание электрических зарядов;

сейсмические волны, вызы­вающие подчас катастрофические разрушения;

вулканические извер­жения, приводившие к гибели цивилизаций и т.д. Одни силы

дейст­вуют непосредственно при контакте с телом, другие, например,

гравитация, действуют на расстоянии, через пространство. Но, как выяснилось,

в результате развития естествознания, несмотря на столь большое разнообразие,

все действующиe в природе силы можно свести к четыpем фундаменталъным

взаимодействuям. Именно эти взаимодейст­вия в конечном счете отвечают за все

изменения в мире, именно они являются источником всех материальных

преобразований тел, про­цессов. Каждое из четырех фундаментальных

взаимодействий имеет сходство с тремя остальными и в то же время свои

отличия. Изучение свойств фундаментальных взаимодействий составляет главную

зада­чу современной физики.

Гравитация.

Гравитация первым из четырех фундаментальных взаимодейст­вий стала предметом

научного исследования. Созданная в ХVII в. ньютоновская теория гравитации

(закон всемирного тяготения) по­зволила впервые осознать истинную роль

гравитации как силы при­роды.

Гравитация обладает рядом особенностей, отличающих ее от дру­гих фундаментальных

взаимодействий. Наиболее удивительной осо­бенностью гравитации является ее

малая интенcивность. Гравитаци­онное взаимодействие в 10³⁹ раз

меньше силы взаимодействия элект­рических зарядов. 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. Зато в микромире роль

гравитации ничтожна. Никакие квантовые эффекты в гравитации пока не доступны

наблюдению.

Если бы размеры атома водорода определялись гравитацией, а не

взаимодей­ствием между электрическими зарядами, то радиус низшей (самой

близкой к ядру) орбиты электрона превосходил бы радиус доступной наблюдению

части Вселен­ной.

Кроме того, гравитация - дальнодействующая сила природы. Это означает, что,

хотя интенсивность гравитационного взаимодействия убывает с расстоянием, оно

распространяется в пространстве и может сказываться на весьма удаленных от

источника телах. В астрономическом масштабе гравитационное взаимодействие,

как прави­ло, играет главную роль. Благодаря дальнодействию гравитация не

позволяет Вселенной развалиться на части: она удерживает планеты на орбитах,

звезды в галактиках, галактики в скоплениях, скопления в Метагалактике.

Сила гравитации, действующая между частицами, всегда пред­ставляет собой силу

притяжения: она стремится сблизить частицы. Гравитационное отталкивание еще

никогда не наблюдалось.

Электромагнетизм. По величине электрические силы намного превосходят

гравитаци­онные, поэтому 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. Решающий шаг в познании электромагнетизма сделал в

середине XIX в. Дж.К Максвелл, объединивший электричество и магнетизм в

единой теории электромагнетизма - первой единой теории поля.

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 матеpиальные

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. Некоторые

совре­менные теории допускают возможность существования монополя.

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. Как и гравитация, оно подчиняется закону

обратных квадратов.

Электромагнитное поле Земли простирается далеко в космичес­кое пространство;

мощное поле Солнца заполняет всю Солнечную систему; существуют и

галактические электромагнитные поля. Электромагнитное взаимодействие

определяет также структуру ато­мов и отвечает за подавляющее большинство

физических и химичес­ких явлений и процессов (за исключением ядерных). К нему

сводятся все обычные силы: силы упругости, трения, поверхностного натяже­ния,

им определяются агрегатные состояния вещества, оптические явления и др.

Слабое взаимодействие. К выявлению существования слабого взаимодействия

физика про­двигалась медленно. Слабое взаимодействие ответственно за распа­ды

частиц; и поэтому с его проявлением столкнулись с открытием радиоактивности и

исследованием бета-распада.

У бета-распада обнаружилась в высшей степени странная особен­ность.

Исследования приводили к выводу, что в этом распаде как будто нарушается один

из фундаментальных законов физики – закон сохранения энергии. Казалось, что

часть энергии куда-то исчезала. Чтобы «спасти» закон сохранения энергии, В.

Паули предположил, что при бета-распаде вместе с электроном вылетает, унося с

собой недостающую энергию, еще одна частица. Она - нейтральная и обла­дает

необычайно высокой проникающей способностью, вследствие чего ее не удавалось

наблюдать. Э. Ферми назвал частицу-невидимку «нейтрино».

Но предсказание нейтрино - это только начало проблемы, ее постановка. Нужно

было объяснить природу нейтрино, но здесь ос­тавалось много загадочного. Дело

в том, что электроны и нейтрино испускались нестабильными ядрами. Но было

неопровержимо доказано, что внутри ядер нет таких частиц. Об их возникновении

было высказано предположение, что электроны и нейтрино не существуют в ядре в

«готовом виде», а каким-то образом образуются из энергии радиоактивного ядра.

Дальнейшие исследования показали, что вхо­дящие в состав ядра нейтроны,

предоставленные самим себе, через несколько минут распадаются на протон,

электрон и нейтрино, т.е. вместо одной частицы появляется три новые. Анализ

приводил к выводу, что известные силы не могут вызвать такой распад. Он,

видимо, порождался какой-то иной, неизвестной силой. Исследования показали,

что этой силе соответствует некоторое слабое взаимодействие.

Слабое взаимодействие по величине значительно меньше всех взаимодействий, кроме

гравитационного, и в системах, где оно присутствует, его эффекты оказываются в

тени электромагнитного и сильного взаимодействий. Кроме того, слабое

взаимодействие распространяется на очень незначительных расстояниях. Радиус

слабо­го взаимодействия очень мал. Слабое взаимодействие прекращается на

расстоянии, большем 10^-16 см от источника, и потому оно не может

влиять на макроскопические объекты, а ограничивается микроми­ром, субатомными

частицами. Когда началось лавинообразное открытие множества нестабильных

субъядерных частиц, то обнаружилось, что большинство из них участвуют в слабом

взаимодействии.

Сильное взаимодействие. Последнее в ряду фундаментальных взаимодействий -

сильное взаи­модействие, которое является источником огромной энергии.

Наи­более характерный пример энергии, высвобождаемой сильным взаимодействием, -

Солнце. В недрах Солнца и звезд непрерывно про­текают термоядерные реакции,

вызываемые сильным взаимодействием. Но и человек научился высвобождать сильное

взаимодействие: создана водородная бомба, сконструированы и совершенствуются

технологии управляемой термоядерной реакции.

К представлению о существовании сильного взаимодействия фи­зика шла в ходе

изучения структуры атомного ядра. Какая-то сила должна удерживать положительно

заряженные протоны в ядре, не позволяя им разлетаться под действием

электростатического оттал­кивания. Гравитация слишком слаба и не может это

обеспечить; оче­видно, необходимо какое-то взаимодействие, причем, более

сильное, чем электромагнитное. Впоследствии оно было обнаружено. Выясни­лось,

что хотя по своей величине сильное взаимодействие существенно превосходит все

остальные фундаментальные взаимодействия, но за пределами ядра оно не

ощущается. Как и в случае слабого взаимо­действия, радиус действия новой силы

оказался очень малым: силь­ное взаимодействие проявляется на расстоянии,

определяемом раз­мерами ядра, т.е. примерно 10^-13 см. Кроме того,

выяснилось, что сильное взаимодействие испытывают не все частицы. Так, его

испы­тывают протоны и нейтроны, но электроны, нейтрино и фотоны неподвластны

ему. В сильном взаимодействии участвуют обычно толь­ко тяжелые частицы. Оно

ответственно за образование ядер и многие взаимодействия элементарных частиц.

Теоретическое объяснение природы сильного взаимодействия развивалось трудно.

Прорыв наметился только в начале 60-х гг., когда была предложена кварковая

модель. В этой теории нейтроны и про­тоны рассматриваются не как элементарные

частицы, а как состав­ные системы, построенные из кварков.

Таким образом, в фундаментальных физических взаимодействи­ях четко

прослеживается различие сил дальнодействующих и близко­действующих. С одной

стороны, взаимодействия неограниченного радиуса действия (гравитация,

электромагнетизм), а с другой - малого радиуса (сильное и слабое). Мир

физических процессов разверты­вается в границах этих двух полярностей и

является воплощением единства предельно малого и предельно большого –

близкодействия в микромире и дальнодействия во всей Вселенной.

Литература.

1. Найдыш В.М. «Концепции современного естествознания», М., 1999г.