поиск по сайту

Фундаментальные взаимодействия в природе


В повседневной жизни мы встречаемся с разнообразными силами. Чтобы открыть дверь, надо приложить мускульную силу и преодолеть силу трения в дверных петлях и упругую силу дверной пружины. Мы наблюдаем силы, с которыми атмосфера давит на барометр и Земля действует на Луну. Электрическая сила запускает двигатель автомобиля, а гидравлическая работает в его тормозах.

Несмотря на разнообразные названия, которые мы даем различным силам, существует лишь два вида сил, управляющих поведением предметов в повседневной жизни, — это гравитационные и электромагнитные силы. Все перечисленные выше силы — лишь разные проявления этих двух фундаментальных сил, или взаимодействий.

Как показывают исследования, все известные взаимодействия относятся к четырем видам фундаментальных взаимодействий: гравитационному, электромагнитному, сильному и слабому ядерному.

Гравитационные взаимодействия обусловлены наличием у тел массы и являются самыми слабыми из фундаментального набора. Они доминируют на расстояниях космических масштабов (в мегамире). Согласно квантовой теории поля переносчиками гравитационного взаимодействия являются гравитоны — частицы с нулевой массой покоя.

Величина гравитационных сил впервые была установлена И. Ньютоном, которым был сформулирован закон всемирного тяготения: между любыми двумя телами возникает сила притяжения, пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними.

Закон всемирного тяготения описывает падение материальных тел в поле Земли, движение планет Солнечной системы и используется для объяснения эволюции космических объектов и Вселенной в целом.

Электромагнитные взаимодействия обусловлены специфическим свойством ряда элементарных частиц, называемым электрическим зарядом. Они играют доминирующую роль в макро- и микромире вплоть до расстояний, превосходящих размеры атомных ядер. Электромагнитные взаимодействия передаются 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. Единая природа электрических и магнитных полей впервые была установлена благодаря работам М. Фарадея и Д. Максвелла.

Благодаря электромагнитному взаимодействию существуют атомы и молекулы и происходят химические превращения вещества. Агрегатные состояния вещества (твердые тела, жидкости, газы), трение и упругость определяются силами межмолекулярного взаимодействия, электромагнитными по своей природе. Электромагнитное взаимодействие описывается законом электростатики — законом Кулона, согласно которому сила, действующая между двумя точечными покоящимися зарядами, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и направлена вдоль прямой, соединяющей эти частицы.

Следует заметить, что гравитационные силы, как и электростатические, также убывают обратно пропорционально квадрату расстояния. Однако имеются следующие принципиальные различия между этими силами.

Электростатические силы существенно превосходят гравитационные. Например, электростатическое притяжение электрона к ядру атома превосходит гравитационное в 10 в 42-ой степени раз. Электростатические силы могут быть как силами притяжения, так и силами отталкивания, в то время как гравитационные — только притяжения. Величина гравитационных сил пропорциональна массам взаимодействующих тел, что приводит к специфическому для гравитации явлению невесомости. Подобной зависимости от массы в электростатических силах не наблюдается.

Получение, преобразование и применение электрического и магнитного полей служат основой для создания разнообразных технических устройств: электродвигателей и генераторов, радиоприемников, телевизоров, осветительных и нагревательных приборов и т. д.

Согласно квантовой электродинамике переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны — частицы с нулевой массой. Фотоны регистрируются приборами в виде электромагнитной волны, но также имеют свойства частиц.

Ядерные взаимодействия играют доминирующую роль в ядерных процессах и проявляются лишь на расстояниях, сравнимых с размером ядра атома. При этом существует два типа процессов, существенно различающихся между собой по скорости протекания, что позволяет разделять ядерные взаимодействия на сильные (удерживающие частицы в ядре от разлезания) и слабые, которые являются причиной распада элементарных частиц. Сильное ядерное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов (нейтронов и протонов) в ядре. Чем сильнее взаимодействие нуклонов в ядре, тем стабильнее ядро, тем больше его удельная энергия связи. С увеличением числа нуклонов и, следовательно, размера ядра энергия связи уменьшается и ядро может быстро распадаться, что и происходит с ядрами элементов, находящимися в конце Периодической системы Менделеева.

Предполагается, что сильное ядерное взаимодействие передается глюонами — частицами, которые соединяют кварки.

В слабом ядерном взаимодействии участвуют все элементарные частицы, кроме фотонов. Это взаимодействие обусловливает распад элементарных частиц. Считается, что переносчиками слабого ядерного взаимодействия являются вионы — частицы с массой примерно в 100 раз большей массы протонов и нейтронов.

Рассмотренные типы взаимодействий весьма несхожи друг с другом по проявлениям и с современной точки зрения обусловлены существенно разными механизмами. Тем не менее представляется весьма заманчивым построение единой теории всех фундаментальных взаимодействий. В частности, в результате экспериментальных исследований взаимодействий элементарных частиц в 1983 г. обнаружено, что при больших энергиях столкновения протонов слабое и электромагнитное взаимодействия не различаются и их можно рассматривать как единое электрослабое взаимодействие.

Одна из важнейших задач современной физики — создание единой теории фундаментальных взаимодействий, объединяющей не только электромагнитное и слабое, но и сильное и гравитационное взаимодействия. В частности, предполагается, что при очень больших энергиях взаимодействия частиц все четыре фундаментальных взаимодействия характеризуются одинаковой силой, т. е. представляют собой одно взаимодействие.



Если Вам необходимо написание реферата, курсовой или дипломной работы по данной теме, Вы можете

Позвонить:

Еще из раздела Естествознание

    Земля — третья по порядку от Солнца планета, удаленная от него на 150 млн км. Вращение Земли вокруг своей оси с периодом 23 ч 56 мин и 4,1 с обеспечивает смену дня и ночи, а обращение вокруг Солнца с периодом 365,24 суток при наклоне оси Земли к ...
    подробнее
      Второе начало термодинамики первоначально было сформулировано в середине XIX в. как эмпирический закон теплопередачи, полученный из практики конструирования тепловых машин. В формулировке Р. Клаузиса закон звучал так: «Теплота не может сама собой ...
      подробнее
        Самым существенным отличием человека от животных является наличие у него чрезвычайно развитой нервной системы и, как следствие этого, наличие сознания. Однако такие явления нервной деятельности, как рефлексы, инстинкты, навыки и внимание, присущи не ...
        подробнее




        © 2006-2019
        ИП Антонович А.С.
        +375-29-5017588
        +375-29-1438110
                                

        Сайт работает на платформе Nestorclub.com