Самым слабым видом физического взаимодействия является. Пятое фундаментальное взаимодействие: правда или вымысел

Многие основополагающие концепции современного естествознания прямо или косвенно связаны с описанием фундаментальных взаимодействий. Взаимодействие и движение – важнейшие атрибуты материи, без которых невозможно ее существование. Взаимодействие обусловливает объединение различных материальных объектов в системы, т. е. системную организацию материи. Многие свойства материальных объектов производны от их взаимодействия, являются результатом их структурных связей между собой и взаимодействий с внешней средой.

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 фундаментальнымзаконом всемирного тяготения: между двумя точечными телами действует сила притяжения, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними . Гравитационным взаимодействием определяется падение тел в поле сил тяготения Земли. Законом всемирного тяготения описывается, например, движение планет Солнечной системы, а также других макрообъектов. Предполагается, что гравитационное взаимодействие обусловливается некими элементарными частицами – гравитонами , существование которых к настоящему времени экспериментально не подтверждено.

Электромагнитное взаимодействие связано с электрическими и магнитными полями. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное поле – при их движении. В природе существуют как положительные, так и отрицательные заряды, что и определяет характер электромагнитного взаимодействия. Например, электростатическое взаимодействие между заряженными телами в зависимости от знака заряда сводится либо к притяжению, либо к отталкиванию. При движении зарядов в зависимости от их знака и направления движения между ними возникает либо притяжение, либо отталкивание. Различные агрегатные состояния вещества, явление трения, упругие и другие свойства вещества определяются преимущественно силами межмолекулярного взаимодействия, которое по своей природе является электростатическим. Электромагнитное взаимодействие описывается фундаментальными законами электростатики и электродинамики: законом Кулона, законом Ампера и др. Его наиболее общее описание дает электромагнитная теория Максвелла, основанная на фундаментальных уравнениях, связывающих электрическое и магнитное поля.

Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре и определяет ядерные силы. Предполагается, что ядерные силы возникают при обмене между нуклонами виртуальными частицами – мезонами .

Наконец, слабое взаимодействие описывает некоторые виды ядерных процессов. Оно короткодействующее и характеризует все виды бета-превращений.

Обычно для количественного анализа перечисленных взаимодействий используют две характеристики: безразмерную константу взаимодействия, определяющую величину взаимодействия, и радиус действия (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Пo данным табл. 3.1 видно, что константа гравитационного взаимодействия самая малая. Радиус действия его, как и электромагнитного взаимодействия, неограничен. Гравитационное взаимодействие в классическом представлении в процессах микромира существенной роли не играет. Однако в макропроцессах ему принадлежит определяющая роль. Например, движение планет Солнечной системы происходит в строгом соответствии с законами гравитационного взаимодействия.

Сильное взаимодействие отвечает за устойчивость ядер и распространяется только в пределах размеров ядра. Чем сильнее взаимодействуют нуклоны в ядре, тем оно устойчивее, тем больше его энергия связи, определяемая работой, которую необходимо совершить, чтобы разделить нуклоны и удалить их друг от друга на такие расстояния, при которых взаимодействие становится равным нулю. С возрастанием размера ядра энергия связи уменьшается. Так, ядра элементов, находящихся в конце таблицы Менделеева, неустойчивы и могут распадаться. Такой процесс часто называется радиоактивным распадом .

Взаимодействие между атомами и молекулами имеет преимущественно электромагнитную природу. Таким взаимодействием объясняется образование различных агрегатных состояний вещества: твердого, жидкого и газообразного. Например, между молекулами вещества в твердом состоянии взаимодействие в виде притяжения проявляется гораздо сильнее, чем между теми же молекулами в газообразном состоянии.

Известны четыре вида взаимодействий между элементарными частицами: сильное , электромагнитное , слабое и гравитационное (они перечислены в порядке убывания интенсивности). Интенсивность взаимодействия принято характеризовать так называемой константой взаимодействия α, которая представляет собой безразмерный параметр , определяющий вероятность процессов , обусловленных данным видом взаимодействия . Для электромагнитного взаимодействия константа:

где Е – энергия взаимодействия двух электронов, находящихся на расстоянии λ. Следовательно,

.

Тогда характеристическое отношение имеет вид:

.

Константа электромагнитных взаимодействий – безразмерная величина:

.

Константы других видов взаимодействий определяют относительно значения константы электромагнитного взаимодействия.

Отношение констант даёт относительную интенсивность соответствующих взаимодействий.

Сильное взаимодействие. Этот вид взаимодействия обеспечивает связь нуклонов в ядре. Константа сильного взаимодействия имеет величину порядка 1–10. Наибольшее расстояние, на котором проявляется сильное взаимодействие (радиус действия), составляет примерно м.

Электромагнитное взаимодействие. Константа взаимодействия равна (константа тонкой структуры). Радиус действия не ограничен ().

Слабое взаимодействие. Это взаимодействие ответственно за все виды β-распада ядер (включая e - захваты), за распады элементарных частиц, а также за все процессы взаимодействия нейтрона с веществом. Константа взаимодействия равна величине порядка 10 –10 – . Слабое взаимодействие, как и сильное, является короткодействующим.

Гравитационное взаимодействие. Константа взаимодействия имеет значение порядка . Радиус действия не ограничен (). Гравитационное взаимодействие является универсальным, ему подвержены все без исключения элементарные частицы. Однако в процессах микромира гравитационное взаимодействие ощутимой роли не играет. В табл. 1 приведены значения константы разных видов взаимодействия, а также среднее время жизни частиц, распадающихся за счёт данного вида взаимодействия (время распада).

Таблица 1

Тип взаимодействий	Механизм обмена	Интенсивность, α	Радиус, r , м	Характерное время жизни, τ, с
	глюонами

Важнейшими свойствами материи являются движение и взаимодействие. В широком смысле движение понимается как любое изменение, происходящее в природе. У всех форм движения есть нечто общее. Все они сводятся к взаимодействию тел. Для любого объекта существовать – значит взаимодействовать, как-то проявлять себя по отношению к другим телам. На протяжении столетий в науке сформировались два принципиально различных способа описания механизма взаимодействия – принципы дальнодействия и близкодействия.

Исторически первым был сформулирован И. Ньютоном принцип дальнодействия , в соответствии с которым взаимодействие между телами происходит мгновенно на любом расстоянии без каких-либо материальных носителей. В XIX в. в науку был введен М. Фарадеем принцип близкодействия , уточненный впоследствии: взаимодействие переносится полем от точки к точке со скоростью, не превышающей скорость света в вакууме. С точки зрения современной физики взаимодействие всегда подчиняется принципу близкодействия. Но во многих задачах, описывающих механические процессы с медленно движущимися объектами, можно использовать приближенный принцип близкодействия.

Природа взаимодействий может быть различной. В настоящее время физики различают четыре типа фундаментальных взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое.

Гравитационное взаимодействие первым стало предметом исследования ученых. Классическая (ньютоновская) теория тяготения была создана еще в XVII в. после открытия закона всемирного тяготения. Это самое слабое из всех известных взаимодействий, оно в 10 40 раз слабее силы взаимодействия электрических зарядов. Тем не менее, эта очень слабая сила определяет строение Вселенной: образование космических систем, существование планет, звезд, галактик. Гравитационное взаимодействие является универсальным и проявляется только как сила притяжения. В нем участвуют не только все тела, имеющие массу, а также и поля. Оно тем больше, чем больше массы взаимодействующих тел. Поэтому в микромире гравитационная сила не играет значительной роли, зато в макромире и мегамире она господствует. Гравитация – дальнодействующая сила. Ее интенсивность убывает с расстоянием, но продолжает сказываться и на очень больших расстояниях.

Электромагнитное взаимодействие также является универсальным и действует между любыми телами, но в отличие от гравитационного взаимодействия проявляется и в виде притяжения, и виде отталкивания. Благодаря электромагнитным связям возникают атомы, молекулы и макротела. Все химические и биологические процессы – проявления электромагнитного взаимодействия. К нему сводятся все обычные силы: упругости, трения, поверхностного натяжения и др. По своей величине это взаимодействие намного превосходит гравитационное, поэтому его действие легко наблюдать даже между телами обычных размеров. Оно также является дальнодействующим, его действие ощутимо и на больших расстояниях от источника. Оно уменьшается с расстоянием, но не исчезает. Электромагнитное взаимодействие описывается в физической теории, называемой квантовой электродинамикой.

Изучение строения атомного ядра привело к открытию нового типа взаимодействия, которое назвали сильным, так как в ядерных масштабах (~10 -15 м) оно на два-три порядка превосходит электромагнитное и позволяет объяснить, почему в ядре одинаково заряженные протоны не разлетаются. Сильное взаимодействие занимает первое место по силе и является источником огромной энергии. Оно соединяет кварки и антикварки в атомном ядре. Оно является близкодействующим и имеет ограниченный радиус действия – до 10-15 м. Сильное взаимодействие описывается в рамках квантовой хромодинамики.

Затем был открыт четвертый тип взаимодействия – слабое взаимодействие, ответственное за превращения элементарных частиц друг в друга и играющее важную роль не только в микромире, но и во многих явлениях космического масштаба. По интенсивности оно занимает третье место (между электромагнитным и гравитационным взаимодействиями) и является близкодействующим.

Механизм взаимодействия принято трактовать как обмен частицами-посредниками, несущими элементарные порции энергии – кванты. Считается, что каждое взаимодействие переносится определенным типом элементарных частиц – бозонов:

· в слабых взаимодействиях посредниками являются мезоны ;

· в электромагнитных – фотоны ;

· сильные взаимодействия осуществляются глюонами (англ. glue – клей), которые несут в себе столь большую энергию, что крепко удерживают кварки внутри частицы;

· гравитационное взаимодействие переносится квантами тяготения – гравитонами , которые экспериментально пока не обнаружены.

Теории, построенные для каждого из четырех типов взаимодействий, получились разными, и физикам это не нравилось. Хотелось их объединить. Хорошим примером служила единая теория электромагнитных взаимодействий, построенная Дж. Максвеллом в XIX в. На рубеже 60-70-х гг. ХХ столетия усилиями трех физиков (С. Вайнберг, Ш. Глэшоу, А. Салам) удалось объединить теории электромагнитного и слабого взаимодействий. Квант, переносящий объединенное электрослабое взаимодействие, может находиться в четырех состояниях, одно из которых фотонное, а три других обладают большой массой. Такое объединение требует энергий порядка 10 11 эВ, что соответствует температурам в 4 триллиона раз выше комнатной.

Сейчас физики заняты построением теории Великого объединения, которое включило бы и сильные взаимодействия. Искомый квант-посредник должен быть многомерным, а энергия, необходимая для реализации этого объединения, на современных установках недостижима. Проект суперобъединения, включающий и гравитацию, пока существует лишь как мечта.

В посвседневной жизни мы сталкиваемся с разнообразными силами, возникающими при столкновении тел, трении, взрыве, натяжении нити, сжатии пружины и т.д. Однако все перечисленные силы являются результатом электромагнитного взаимодействия атомов друг с другом. Теория электромагнитного взаимодействия была создана Максвеллом в 1863 г.

Другим давно известным взаимодействием является гравитационное взаимодействие между телами, обладающими массой. В 1915 г. Эйнштейн создал общую теорию относительности, связавшую гравитационное поле с искривлением пространства-времени.

В 1930-е гг. было обнаружено, что ядра атомов состоят из нуклонов, причем ни электромагнитные, ни гравитационные взаимодействия не могут объяснить, что удерживает нуклоны в ядре. Для описания взаимодействия нуклонов в ядре было предложено сильное взаимодействие.

При продолжении изучения микромира выяснилось, что некоторые явления не описываются тремя типами взаимодействия. Поэтому для описания распада нейтрона и других подобных процессов было предложено слабое взаимодействие.

Сегодня все известные в природе силы являются продуктом четырех фундаментальных взаимодействий , которые можно расположить по убыванию интенсивности в следующем порядке:

• 1) сильное взаимодействие;
• 2) электромагнитное взаимодействие;
• 3) слабое взаимодействие;
• 4) гравитационное взаимодействие.

Фундаментальные взаимодействия переносятся элементарными частицами - переносчиками фундаментальных взаимодействий. Эти частицы называют калибровочными бозонами. Процесс фундаментальных взаимодействий тел можно представить следующим образом. Каждое из тел испускает частицы - переносчики взаимодействий, которые поглощаются другим телом. При этом тела испытывают взаимное влияние.

Сильное взаимодействие может возникать между протонами, нейтронами и прочими адронами (см. ниже). Оно является короткодействующим и характеризуется радиусом действия сил порядка 10 15 м. Переносчиком сильного взаимодействия между адронами являются пионы , причем длительность протекания взаимодействия составляет порядка 10 23 с.

Электромагнитное взаимодействие имеет на четыре порядка меньшую интенсивность по сравнению с сильным взаимодействием. Оно возникает между заряженными частицами. Электромагнитное взаимодействие является длиннодействующим и характеризуется бесконечным радиусом действия сил. Переносчиком электромагнитного взаимодействия являются фотоны , причем длительность протекания взаимодействия составляет порядка 10“ 20 с.

Слабое взаимодействие имеет на 20 порядков меньшую интенсивность по сравнению с сильным взаимодействием. Оно может возникать между адронами и лептонами (см. ниже). В число лептонов входят, в частности, электрон и нейтрино. Примером слабого взаимодействия является рассмотренный выше p-распад нейтрона. Слабое взаимодействие является короткодействующим и характеризуется радиусом действия сил порядка 10 18 м. Переносчиком слабого взаимодействия являются векторные бозоны , причем длительность протекания взаимодействия составляет порядка 10 10 с.

Гравитационное взаимодействие имеет на 40 порядков меньшую интенсивность по сравнению с сильным взаимодействием. Оно возникает между всеми частицами. Гравитационное взаимодействие является длиннодействующим и характеризуется бесконечным радиусом действия сил. Переносчиком гравитационного взаимодействия, возможно, являются гравитоны. Эти частицы пока не найдены, что может быть связано с малой интенсивностью гравитационного взаимодействия. С ней связано и то, что из-за малости масс элементарных частиц данное взаимодействие в процессах ядер- ной физики несущественно.

В 1967 г. А. Саламом и С. Вайнбергом была предложена теория элект- рослабого взаимодействия , объединившая электромагнетное и слабое взаимодействия. В 1973 г. была создана теория сильного взаимодействия квантовая хромодинамика. Все это позволило создать стандартную модель элементарных частиц, описывающую электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия. Все три рассматриваемые здесь типа взаимодействия возникают как следствие постулата, что наш мир симметричен относительно трех типов калибровочных преобразований.

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

Близкодействие и дальнодействие (или действие на расстоянии). О том, как осуществляется взаимодействие тел, в физике издавна существовали две точки зрения. Первая из них предпола­гала наличие некоторого агента (например, эфира), через который одно тело передает свое влия­ние на другое, причем с конечной скоростью. Это теория близкодействия. Вторая предполагала, что взаимодействие между телами осуществляется через пустое пространство, не принимающее никакого участия в передаче взаимодействия, причем передача происходит мгновенно. Это тео­рия дальнодействия. Она, казалось бы, окончательно победила после открытия Ньютоном зако­на всемирного тяготения. Так, например, считалось, что перемещение Земли должно сразу же приводить к изменению силы тяготения, действующей на Луну. Кроме самого Ньютона, позднее концепции дальнодействия придерживались Кулон и Ампер.

После открытия и исследования электромагнитного поля (см.Электромагнитное поле) тео­рия дальнодействия была отвергнута, так как было доказано, что взаимодействие электрически заряженных тел осуществляется не мгновенно, а с конечной скоростью (равной скорости света: с = 3 108 м/с) и перемещение одного из зарядов приводит к изменению сил, действующих на дру­гие заряды, не мгновенно, а спустя некоторое время. Возникла новая теория близкодействия, которая была затем распространена и на все другие виды взаимодействий. Согласно теории близ­кодействия взаимодействие осуществляется посредством соответствующих полей, окружающих тела и непрерывно распределенных в пространстве (т. е. поле является тем посредником, который передает действие одного тела на другое). Взаимодействие электрических зарядов - посредством электромагнитного поля, всемирное тяготение - посредством гравитационного поля.

На сегодняшний день физике известны четыре типа фундаментальных взаимодействий, существующих в природе (в порядке возрастания интенсивности): гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное взаимодействия.

Фундаментальными называются взаимодействия, которые нельзя свести к другим типам вза­имодействий.

Взаимодействие Взаимодействующие частицы " Относительная Радиус действия, м интенсивность Гравитационное Все, кроме фотона Электромагнитное Заряженные частицы

Фундаментальные взаимодействия отличаются интенсивностью и радиусом действия (см. табл. 1.1). Под радиусом действия понимают максимальное расстояние между частица­ми, за пределами которого их взаимодействием можно пренебречь.

По радиусу действия фундаментальные взаимодействия делятся надальнодействуюгцие {гра­витационное и электромагнитное) икороткодействующие (слабое и сильное) (см. табл. 1.1).

Гравитационное взаимодействие универсально: в нем участвуют все тела в природе - от звезд, планет и галактик до микрочастиц: атомов, электронов, ядер. Его радиус действия равен бесконеч­ности. Однако как для элементарных частиц микромира, так и для окружающих нас предметов макромира силы гравитационного взаимодействия настолько малы, что ими можно пренебречь (см. табл. 1.1). Оно становится заметным с увеличением массы взаимодействующих тел и потому определяющим в поведении небесных тел и образовании и эволюции звезд.

Слабое взаимодействие присуще всем элементарным частицам, кроме фотона. Оно отвечает за большинство ядерных реакций распада и многие превращения элементарных частиц.

Электромагнитное взаимодействие определяет структуру вещества, связывая электроны и ядра в атомах и молекулах, объединяя атомы и молекулы в различные вещества. Оно определяет хими­ческие и биологические процессы. Электромагнитное взаимодействие является причиной таких явлений, как упругость, трение, вязкость, магнетизм и составляет природу соответствующих сил. На движение макроскопических электронейтральных тел оно существенного влияния не оказывает.

Сильное взаимодействие осуществляется между адронами, именно оно удерживает нуклоны в ядре.

В 1967 г. Шелдон Глэшоу, Абдус Салам и Стивен Вайнберг создали теорию, объединяющую электромагнитное и слабое взаимодействия в единое электрослабое взаимодействие с радиусом действия 10~17 м, в пределах которого исчезает различие между слабым и электромагнитным вза­имодействиями.

В настоящее время выдвинута теория великого объединения, согласно которой существуют лишь два типа взаимодействий: объединенное, куда входятсильное, слабое и электромагнитное взаимодействия, и гравитационное взаимодействие.

Есть также предположение, что все четыре взаимодействия являются частными случаями про­явления единого взаимодействия.

В механике взаимное действие тел друг на друга характеризуется силой (см.Сила). Более общей характеристикой взаимодействия является потенциальная энергия (см. Потенциальная энергия).

Силы в механике делятся на гравитационные, упругости и трения. Как уже упоминалось выше, природа механических сил обусловлена гравитационным и электромагнитным взаимодейс­твиями. Только эти взаимодействия можно рассматривать как силы в смысле механики Ньютона. Сильные (ядерные) и слабые взаимодействия проявляются на таких малых расстояниях, при ко­торых законы механики Ньютона, а вместе с ними и понятие механической силы теряют смысл. Поэтому термин «сила» в этих случаях следует воспринимать как «взаимодействие».