А. Скорик - Шпаргалка по концепциям современного естествознания

Основными характеристиками движения являются энергия и импульс, и именно энергией и импульсом обмениваются объекты при взаимодействии. В классической механике взаимодействие определяется силой, с которой один материальный объект действует на другой. В более общем случае взаимодействие характеризуется потенциальной энергией.

О том, как осуществляется взаимодействие между объектами, существует две концепции: близ-кодействия и дальнодействия. Первая теория говорит о том, что взаимодействие материальных объектов передается через пустое пространство мгновенно. Эта теория служила основой классической физики и существовала до конца XIX в. В настоящее время экспериментально подтверждена концепция дальнодействия: взаимодействия передаются посредством физических полей с конечной скоростью, не превышающей скорости света в вакууме.

Взаимодействия материальных объектов и систем, наблюдаемые нами в окружающем мире, весьма разнообразны. Но в общем случае их можно отнести к четырем видам фундаментальных взаимодействий: гравитационному, электромагнитному, слабому и сильному. Гравитационное взаимодействие проявляется во взаимном притяжении любых материальных объектов, имеющих массу. Электромагнитное взаимодействие обусловлено электрическими зарядами и передается посредством электрического и магнитного полей. Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре и определяется ядерными силами. Слабое взаимодействие обусловливает большинство распадов элементарных частиц, взаимодействие нейтрино с веществом и другие процессы.

Для количественной характеристики фундаментальных взаимодействий обычно используют безразмерную константу взаимодействия, определяющую величину взаимодействия и радиус действия. Для гравитационного взаимодействия эта константа равна 6 ? 10-39, а радиус его действия бесконечен. Для электромагнитного взаимодействия значение константы составляет 1/137, а радиус его действия также неограничен. Константа сильного взаимодействия равна 1, оно проявляется в пределах размеров ядра. Для слабого взаимодействия постоянная равна 10-14, а радиус взаимодействия – порядка 10-18.

Фундаментальные взаимодействия характеризуются соответствующими константами, которые в зависимости от систем координат могут иметь различные значения. Обычно используются следующие значения этих констант. Гравитационное взаимодействие характеризуется постоянной Кавендиша Gm = 6,7 ? 10-11н ? м2/кг2. Слабое взаимодействие – универсальной постоянной Gm = 1,4 ? 10-62Дж ? м3. Электромагнитное и сильное взаимодействия обычно характеризуются безразмерными постоянными. Первое – ge =1/137 – так называемая «постоянная тонкой структуры»; второе – g5 = 8 ? 10-2.

Создание единой теории фундаментальных взаимодействий – одна из важнейших задач современного естествознания. Предполагается, что при относительно больших энергиях взаимодействия частиц все четыре фундаментальных взаимодействия характеризуются единой силой.

Наблюдаемые в природе взаимодействия материальных объектов и систем весьма разнообразны. Однако, как показали физические исследования, все взаимодействия можно отнести к четырем видам фундаментальных взаимодействий:

– гравитационному;

– электромагнитному;

– сильному;

– слабому.

Гравитационное взаимодействие проявляется во взаимном притяжении любых материальных объектов, имеющих массу. Оно передается посредством гравитационного поля и определяется фундаментальным законом природы – законом всемирного тяготения, сформулированным И. Ньютоном: между двумя материальными точками массой m1 и m2, расположенными на расстоянии r друг от друга, действует сила F, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними:

F = G ? (m1m2)/r2 . где G- гравитационная постоянная. В соответствии с квантовой теорией г' поля переносчиками гравитационного взаимодействия являются гравитоны – частицы с нулевой массой, кванты гравитационного поля.

Электромагнитное взаимодействие обусловлено электрическими зарядами и передается посредством электрического и магнитного полей. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное – при их движении. Изменяющееся магнитное поле порождает переменное электрическое поле, которое в свою очередь является источником переменного магнитного поля.

Электромагнитное взаимодействие описывается фундаментальными законами электростатики и электродинамики: законом Кулона,законом Ампераи другими, – и в обобщенном виде – электромагнитной теорией Максвелла,связывающей электрическое и магнитное поля. Получение, преобразование и применение электрического и магнитного полей служат основой для создания разнообразных современных технических средств.

Согласно квантовой электродинамике переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны – кванты электромагнитного поля с нулевой массой.

Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре. Оно определяется ядерными силами, обладающими зарядовой независимостью, короткодей-ствием, насыщением и другими свойствами. Сильное взаимодействие отвечает за стабильность атомных ядер. Чем сильнее взаимодействие нуклонов в ядре, тем стабильнее ядро. С увеличением числа нуклонов в ядре и, следовательно, размера ядра удельная энергия связи уменьшается и ядро может распадаться.

Предполагается, что сильное взаимодействие передается глюонами – частицами, «склеивающими» кварки, входящие в состав протонов, нейтронов и других частиц.

В слабом взаимодействии участвуют все элементарные частицы, кроме фотона. Оно обусловливает большинство распадов элементарных частиц, взаимодействие нейтрино с веществом и другие процессы. Слабое взаимодействие проявляется главным образом в процессах бета-распада атомных ядер. Переносчиками слабого взаимодействия являются промежуточные, или векторные, бозоны – частицы с массой, примерно в 100 раз большей массы протонов и нейтронов.

Наблюдаемые в природе взаимодействия материальных объектов и систем весьма разнообразны, но все они могут быть отнесены к четырем видам фундаментальных взаимодействий: гравитационному, электромагнитному, сильному и слабому. Связаны ли эти виды фундаментальных взаимодействий между собой?

В результате экспериментальных исследований взаимодействий элементарных частиц в 1983 г. было обнаружено, что при больших энергиях столкновения протонов слабое и электромагнитное взаимодействия не различаются – их можно рассматривать как единое электрослабое взаимодействие. Теорию электрослабых сил нельзя считать полностью доказанной, но основная ее идея проверена многими опытами. Эта идея сводится к тому, что электромагнитное поле представляет собой часть более общего электрослабого поля, состоящего из нескольких форм, или компонентов. Этих компонентов в четыре раза больше, чем в электромагнитном поле.