гравитационное взаимодействие, как правило, играет главную роль. Благодаря
дальнодействию гравитация 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 составляет собой
силу притяжения: она стремится сблизить частицы. Гравитационное
отталкивание еще никогда не наблюдалось.
Пока еще нет однозначного ответа на вопрос, чем является гравитация —
неким полем, искривлением пространства-времени или тем и другим вместе. На
этот счет существуют разные мнения и концепции. Поэтому нет и завершенной
теории квантово-гравитационного взаимодействия.
3.2 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.).
Не все материалы частицы являются носителями электрического заряда.
Электрически нейтральны, например, фотон и нейтрино. В этом электричество
отличается от гравитации. Все материальные 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.
Электрическая и магнитная силы (как и гравитация) являются
недействующими, 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 обычные силы: силы
упругости, трения, поверхностного натяжения, им определяются агрегатные
состояния вещества, оптические явления и др.
3.3 Слабое взаимодействие
К выявлению существования слабого взаимодействия физика продвигалась
медленно. Слабое взаимодействие ответственно за распады частиц; и поэтому к
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, её 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.
Как же они возникали? 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,
несколько минут распадаются на протон, электрон и нейтрино, т.е. вместо
одной частицы появляется три новые. Анализ приводит к выводу, что известные
силы не могут вызвать такой распад. Он, может, 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 существует, его эффекты
оказываются в тени электромагнитного сильного взаимодействий. Кроме того,
слабое взаимодействие распространяется на очень незначительных расстояниях.
Радиус слабого взаимодействия очень мал. Слабое взаимодействие прекращается
на расстоянии, большем 1016 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.
Теория слабого взаимодействия была создана в конце 60-х гг. С момента
построения Максвеллом теории электромагнитного поля создание этой теории
явилось самым крупным шагом на пути к единству физики.
3.4 Сильное взаимодействие
Последнее в ряду фундаментальных взаимодействий — сильное взаимодействие,
которое является источником огромной энергии, более 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 1013 см. Кроме того, выяснилось, что сильное
взаимодействие испытывают не все частицы. Так, его испытывают протоны и
нейтроны, но электроны, нейтрино и фотоны не подвластны ему. В сильном
взаимодействии участвуют обычно только тяжелые частицы. Оно ответственно за
образование ядер и многие взаимодействия элементарных частиц.
Таким образом, в фундаментальных физических взаимодействиях чётко
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.
4.1 Элементарные частицы
Элементарные частицы играю огромную роль в общем понимании физической
картины мира. Представления об элементарных частицах задаёт материю.
Исторически первыми экспериментально обнаруженными элементарными
частицами были электрон, протон, а затем нейтрон. При таком подходе
вещество строилось из протонов, нейтронов и электронов, а фотоны
осуществляли взаимодействие между ними. Однако скоро выяснилось, что мир
устроен гораздо сложнее. Было установлено, что каждой частице соответствует
своя античастица, отличающаяся от неё лишь знаком заряда. Для частиц с
нулевым зарядом античастица совпадает с частицей(например фотон). По мере
развития экспериментальной ядерной физики к этим частицам добавилось ещё
свыше 300 частиц!
Характеристиками субатомных частиц являются масса, электрический заряд,
спин, время жизни, магнитный момент, пространственная чётность, лептонный
заряд, барионный заряд и т.д..
Лептоны
Хотя лептоны могут иметь электрический заряд, а могут и не иметь, спин
у всех у них равен Ѕ. Среди лептонов наиболее известен электрон.
Другой хорошо известный лептон-нейтрино. Нейтрино являются наиболее
распространёнными частицами во Вселенной. Вселенную можно представить
безбрежным нейтринным морем, в котором изредка встречаются острова в виде
атомов. Но, несмотря на такую распространённость нейтрино, изучать их очень
сложно. Как мы уже отмечали, нейтрино почти не уловимы. Не участвуя ни в
сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях, они проникают через
вещества, как будто его вообще нет. Нейтрино – это некие “призраки”
физического мира.
Адроны
Разновидностей адронов около сотни. Тот факт, что адронов существует
сотни, наводит на мысль, что адроны-не элементарные частицы, а построены из
более мелких частиц. Все адроны встречаются в двух разновидностях-
электрически заряженные и нейтральные. Наиболее известные и широко
распространённые такие адроны как нейтрон и протон.
Существование и свойства большинства известных адронов были установлены в
опытах на ускорителях. Открытие множества разнообразных адронов поставило
физиков в тупик, но со временем их удалось классифицировать по спину,
заряду и массе.
4.2 Теории элементарных частиц
Квантовая механика позволяет описывать движение элементарных частиц, но
не их порождение или уничтожение, т.е. применяется лишь для описания систем
с неизменным числом частиц. Обобщение квантовой механики является квантовая
теория ноля — это квантовая теория систем с бесконечным числом степеней
свободы (физических полей), учитывающая требования и квантовой механики, и
теории относительности. Потребность в такой теории порождается квантово-
волновым дуализмом, существованием волновых свойств всех частиц. В
квантовой теории поля взаимодействие представляют как результат обмена
квантами поля, а полевые величины объявляются операторами, которые
связывают с актами рождения и уничтожения квантов поля, т.е. частиц.
