Фундаментальные взаимодействия
- качественно различающиеся типы взаимодействия элементарных частиц и составленных из них тел, то есть самыми основными, исходными, первичными.
Процессы, в которых участвуют различные элементарные частицы, сильно различаются по характерным временам их протекания и энергиям. Современная физика рассматривает передачу взаимодействия между телами посредством тех или иных полей, непрерывно распределенных в пространстве.
На сегодня достоверно известно существование четырех фундаментальных взаимодействий. Это (в порядке возрастания интенсивности): гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное взаимодействия. Каждому типу взаимодействий отвечают определенные физические поля. При этом электромагнитное и слабое взаимодействия являются проявлениями единого электрослабого взаимодействия
.
В физике механическая энергия делится на два вида - потенциальную и кинетическую энергию. Причиной изменения движения тел (изменения кинетической энергии) является сила (потенциальная энергия). Исследуя окружающий нас мир, мы можем заметить множество самых разнообразных сил: сила тяжести, сила натяжения нити, сила сжатия пружины, сила столкновения тел, сила трения, сила сопротивления воздуха, сила взрыва и т.д. Однако когда была выяснена атомарная структура вещества, стало понятно, что все разнообразие этих сил есть результат взаимодействия атомов друг с другом. Поскольку основной вид межатомного взаимодействия - электромагнитное, то, как оказалось, большинство этих сил - лишь различные проявления электромагнитного взаимодействия. Одно из исключений составляет, например, сила тяжести, причиной которой является гравитационное взаимодействие между телами, обладающими массой.
К началу XX века выяснилось, что все известные к тому моменту силы сводятся к двум фундаментальным взаимодействиям: электромагнитному и гравитационному. В 1930-е годы физики обнаружили, что ядра атомов состоят из нуклонов (протонов и нейтронов). Стало понятно, что ни электромагнитные, ни гравитационные взаимодействия не могут объяснить, что удерживает нуклоны в ядре. Было постулировано существование нового фундаментального взаимодействия: сильного взаимодействия. Однако в дальнейшем оказалось, что и этого недостаточно, чтобы объяснить некоторые явления в микромире. В частности, было непонятно, что заставляет распадаться свободный нейтрон. Тогда было постулировано существование слабого взаимодействия, и этого оказалось достаточно для описания всех до сих пор наблюдавшихся явлений в микромире.
Для количественного анализа перечисленных взаимодействий используют две характеристики: безразмерную константу взаимодействия, которая определяет величину взаимодействия, и радиус действия. Важнейшей характеристикой фундаментального взаимодействия является его радиус действия - максимальное расстояние между частицами, за пределами которого их взаимодействием можно пренебречь
(табл.1).
Таблица 1 - Основные характеристики фундаментальных взаимодействий
|
Вид |
Радиус действия, м |
Переносчик взаимодействия |
Место взаимодействия |
Относительная интенсивность |
|
Гравитационное |
Бесконечно большой |
Гравитоны |
Между телами, имеющими массу |
1 |
|
Электромагнитное |
Бесконечно большой |
Фотоны |
Между телами, имеющими заряд |
1036 |
|
Ядерное (сильное) |
1 фм (фемтометр) |
Глюоны |
Между нуклонами, эл. частицами |
1038 |
|
Слабое |
1 ам (аттометр) |
Промежуточные векторные бозоны |
Между кварками |
1032 |
При малом радиусе взаимодействие называют короткодействующим
(сильное и слабое взаимодействия) и проявляются только в микромире
при взаимодействии элементарных частиц на расстояниях менее 10-12см. Их интенсивность быстро убывает при увеличении расстояния между частицами. Такие взаимодействия проявляются на небольшом расстоянии, недоступном для восприятия органами чувств. По этой причине эти взаимодействия были открыты позже других (лишь в XX веке) с помощью сложных экспериментальных установок.
TimeBiology