Evrenin ana güçleri. Temel kuvvetler 4 temel kuvvet

Doğada pek çok farklı kuvvet türü vardır: yerçekimi, yerçekimi, Lorentz, Amper, sabit yüklerin etkileşimi, vb., Ancak bunların hepsi nihayetinde az sayıda temel (temel) etkileşime indirgenir. Modern fizik, doğada yalnızca dört tür kuvvet veya dört tür etkileşim olduğuna inanmaktadır:

1) yerçekimi etkileşimi (yerçekimi alanları aracılığıyla gerçekleştirilir);

2) elektromanyetik etkileşim (elektromanyetik alanlar aracılığıyla gerçekleştirilir);

3) nükleer (veya güçlü) (çekirdek içindeki parçacıkların bağlantısını sağlar);

4) zayıf (temel parçacıkların bozulmasından sorumludur).

Klasik mekanik çerçevesinde, yerçekimi ve elektromanyetik kuvvetler ile elastik ve sürtünme kuvvetleri ile ilgilenirler.

1. Yerçekimi kuvveti... Bu, iki maddi cismin birbirine çekildiği kuvvettir. Yerçekimi kuvveti mesafeye ve kütleli iki malzeme noktasına bağlıdır. t 1ve t 2uzaktan reşitlikle ifade edilen birbirinden

F \u003d G · m 1 m2 / r 2, (3)

nerede G- yerçekimi sabiti (SI cinsinden G\u003d 6.673 10-11 m3 / kg s2).

2. Yerçekimi... Bu sabit bir güç , dünya yüzeyine yakın herhangi bir vücut üzerinde hareket etmek. Bu kuvvetin, evrensel yerçekimi kuvvetinin özel bir durumu olduğu açıktır, bu nedenle

F T \u003d G mM / R 2,(4)

nerede m - vücut kütlesi, M ve R- Dünyanın kütlesi ve yarıçapı. Miktar

g \u003d G M / R 2

aranan yerçekimi ivmesi... Sonra

F T \u003d mg. (5)

Yerçekimi, büyüklük gibi g,belirli bir cisim için kütle sabitken, deniz seviyesinden enlem ve rakımdaki değişiklikle değişir. Çoğu sorunu çözerken varsayılır g \u003d9,8 m / s 2.

Belirli bir cismin kütlesinin deneysel olarak belirlenmesi için, kütlenin bir eylemsizlik ölçüsü olarak girdiği ve bu nedenle eylemsiz kütle olarak adlandırıldığı eşitlikten (1) devam edilebilir. Bununla birlikte, kütlenin bir cismin yerçekimi özelliklerinin bir ölçüsü olarak girdiği ve sırasıyla yerçekimi kütlesi olarak adlandırıldığı eşitlikten (4) de devam edilebilir. Prensip olarak, herhangi bir yerden atalet ve yerçekimi kütlelerinin aynı büyüklükte olduğu sonucu çıkmaz. Bununla birlikte, bir dizi deney, her iki kütlenin değerlerinin çok yüksek bir doğruluk derecesi ile örtüştüğünü göstermiştir. Bu nedenle, mekanikte, kütleyi bir cismin eylemsizliğinin ve kütleçekimsel özelliklerinin nicel bir ölçüsü olarak tanımlayan tek bir "kütle" terimi kullanırlar.

3. Vücut ağırlığı... Bu güç Pvücudun bir destek veya süspansiyon üzerinde hareket ettiği. Farklı vücutlara uygulandıkları için vücut ağırlığı ve yerçekimi karıştırılmamalıdır. Dışında, P \u003d F T \u003d mgsadece dinlenme durumunda veya doğrusal tekdüze hareket halinde. Sorunları çözerken R,kural olarak, Newton'un üçüncü yasasına göre bulunur.

4. Elastik kuvvet.

Bu kuvvet, cisimlerin deformasyonu ile birlikte etkileşiminin bir sonucu olarak ortaya çıkar. Deformasyon miktarı ile orantılıdır ve deformasyona yöneliktir.

Özellikle, yay kuvvetleri

F \u003d k , (7)

yayın uzantısı (veya sıkıştırması) nerede, k -yay sertliği katsayısı (N / m cinsinden ölçülen SI cinsinden).

Tepki kuvvetini destekleyin.Temas noktalarında temas eden cisimlerin yüzeylerine ortak normal boyunca yönlendirilir ve bu noktada uygulanır (Şekil 6a). Temas yüzeylerinden biri bir nokta olduğunda (Şekil 6, b), o zaman reaksiyon normal boyunca diğer yüzeye yönlendirilir.

Şekil 6 Şekil 7

İplik gerginliği ... iplik boyunca askıya alınma noktasına yönlendirilir(şek. 7).

5. Sürtünme kuvveti... Kısaca aradım kayan sürtünme kuvveti, hareketli bir gövde üzerinde etkili (sıvı yağlayıcı yokluğunda). Modülü eşitlikle belirlenir

nerede µ - genellikle sabit kabul edilen sürtünme katsayısı. N- normal tepki. Trafiğe karşı yönlendirildi.

6. Statik sürtünme kuvveti Hareketsiz haldeki temas halindeki cisimler arasında etkiyen, büyüklüğü eşit olan ve bedeni hareket etmeye zorlayan kuvvete zıt olarak yönlendirilen bir kuvvettir.

Kayma meydana gelmeden önce, statik sürtünme kuvveti herhangi bir yöne sahip olabilir ve sıfırdan kaymanın meydana geldiği maksimum bir değere kadar herhangi bir değer alabilir: .

Belirli bir cismin diğerinin yüzeyinde kaymaya başladığı, dış kuvvete eşit büyüklükteki hareketsiz sürtünme kuvvetine denir. maksimum statik sürtünme kuvveti.

Fransız fizikçiler G.Amonton ve S. Coulomb şunu buldular: Hareketsiz haldeki maksimum sürtünme kuvveti, desteğin tepki kuvveti (normal basınç) ile orantılıdır ve sürtünen cisimlerin temas alanına bağlı değildir.

nerede m 0 - hareketsiz haldeki sürtünme katsayısı, temas eden cisimlerin fiziksel yapısına bağlıdır ve

7. Yuvarlanma sürtünmesinin kuvveti. Bir vücut diğerinin yüzeyinde yuvarlandığında, özel bir kuvvet ortaya çıkar - vücudun yuvarlanmasını önleyen yuvarlanma sürtünme kuvveti. Temas eden cisimlerin aynı malzemeleriyle yuvarlanan dikenlerin kuvveti her zaman kayan dikenlerin kuvvetinden daha azdır. Bu, pratikte kaymalı yatakların bilyalı veya makaralı rulmanlar ile değiştirilmesiyle kullanılır. Sarkıt, deneysel olarak R: yarıçaplı bir yuvarlanma silindiri için oluşturulmuştur, burada m K, malzemenin sertliğindeki ve yüzeyinin pürüzlülüğündeki bir artışla değeri düşen yuvarlanma sürtünme katsayısıdır. Yuvarlanan bir jant için.

8. Viskoz sürtünme kuvveti... Hıza bağlı olan böyle bir kuvvet, çok viskoz bir ortamda (veya bir sıvı yağlayıcının varlığında) yavaş hareket ettiğinde vücuda etki eder ve eşitlikle ifade edilebilir.

R \u003d,(8)

nerede υ - vücut hızı, - sürükleme katsayısı.

9. Aerodinamik kuvvet (hidrodinamik) direnç. Bu kuvvet aynı zamanda hıza da bağlıdır ve hava veya su gibi bir ortamda hareket eden bir vücuda etki eder. Genellikle değeri eşitlikle ifade edilir

R \u003d 0.5c x Sυ 2,

ortamın yoğunluğu nerede; S- Vücudun hareket yönüne dik bir düzleme (orta bölüm alanı) izdüşüm alanı, x ile- boyutsuz bir sürükleme katsayısı, genellikle deneysel olarak ve vücudun şekline ve hareket sırasında nasıl yönlendirildiğine bağlı olarak belirlenir.

Elastik ve sürtünme kuvvetleri, elektromanyetik kökenli olan maddenin molekülleri arasındaki etkileşimin doğası tarafından belirlenir. Bu nedenle, doğaları gereği elektromanyetik kökenlidirler. Yerçekimi ve elektromanyetik kuvvetler temeldir - diğer, daha basit kuvvetlere indirgenemezler. Elastik ve sürtünme kuvvetleri temel değildir.

2.3. Galileo'nun dönüşümleri.

Yüksek enerji fiziğindeki modern ilerlemeler, Doğanın çeşitli özelliklerinin etkileşen temel parçacıklardan kaynaklandığı fikrini giderek güçlendiriyor. Maddenin en temel unsurlarından bahsettiğimiz için, temel parçacığın gayri resmi bir tanımını vermek görünüşe göre imkansızdır. Niteliksel düzeyde, kurucu parçası olmayan fiziksel nesnelerin gerçekten temel parçacıklar olarak adlandırıldığını söyleyebiliriz.
Açıktır ki, fiziksel nesnelerin temel doğası sorunu, her şeyden önce deneysel bir sorudur. Örneğin, deneysel olarak moleküllerin, atomların, atom çekirdeklerinin kurucu parçaların varlığını gösteren bir iç yapıya sahip olduğu tespit edilmiştir. Bu nedenle, temel parçacıklar olarak kabul edilemezler. Daha yakın zamanlarda, mezonlar ve baryonlar gibi parçacıkların da bir iç yapıya sahip olduğu ve bu nedenle temel olmadıkları keşfedildi. Aynı zamanda, elektronun iç yapısı hiçbir zaman gözlenmedi ve bu nedenle, temel parçacıklara atfedilebilir. Temel parçacığın başka bir örneği de ışık kuantumudur - bir foton.
Modern deneysel veriler, temel parçacıkların katıldığı yalnızca dört niteliksel olarak farklı etkileşim türü olduğunu göstermektedir. Bu etkileşimlere temel, yani en temel, ilk, birincil denir. Çevremizdeki dünyanın tüm çeşitli özelliklerini hesaba katarsak, Doğa'da tüm Doğa fenomenlerinden sorumlu yalnızca dört temel etkileşim olması kesinlikle şaşırtıcı görünmektedir.
Niteliksel farklılıklara ek olarak, temel etkileşimler, etkinin gücü açısından nicel açıdan farklılık gösterir ve bu terim ile karakterize edilir. yoğunluk... Yoğunluk arttıkça, temel etkileşimler şu sırada düzenlenir: yerçekimi, zayıf, elektromanyetik ve güçlü. Bu etkileşimlerin her biri, sayısal değeri etkileşimin yoğunluğunu belirleyen, kuplaj sabiti adı verilen karşılık gelen bir parametre ile karakterize edilir.
Fiziksel nesneler birbirleriyle temel etkileşimleri nasıl gerçekleştirir? Nitel düzeyde, bu sorunun cevabı aşağıdaki gibidir. Temel etkileşimler nicelikler tarafından taşınır. Bu durumda, kuantum bölgesinde temel etkileşimler, temel parçacıklar - etkileşim taşıyıcıları olarak adlandırılan karşılık gelen temel parçacıklara karşılık gelir. Etkileşim sürecinde, fiziksel bir nesne parçacıklar yayar - başka bir fiziksel nesne tarafından emilen etkileşim taşıyıcıları. Bu, nesnelerin birbirlerini, enerjilerini, hareketin doğasını, durum değişikliğini hissediyor gibi görünmelerine, yani karşılıklı etkiyi deneyimlemelerine yol açar.
Modern yüksek enerji fiziğinde, temel etkileşimleri birleştirme fikri giderek daha önemli hale geliyor. Birleşme fikirlerine göre, Doğa'da, belirli durumlarda yerçekimsel veya zayıf, elektromanyetik veya güçlü veya bunların bir kombinasyonu olarak kendini gösteren tek bir temel etkileşim vardır. Birleşme fikirlerinin başarılı bir şekilde uygulanması, şimdi standart birleşik elektromanyetik ve zayıf etkileşimler teorisinin oluşturulmasıydı. Büyük birleşme teorisi adı verilen birleşik bir elektromanyetik, zayıf ve güçlü etkileşimler teorisi geliştirmek için çalışmalar devam etmektedir. Dört temel etkileşimin tümünü birleştirme ilkesini bulmak için girişimlerde bulunulmaktadır. Temel etkileşimlerin ana tezahürlerini sırayla ele alacağız.

Yerçekimi etkileşimi

Bu etkileşim evrenseldir, her tür madde, doğanın tüm nesneleri, tüm temel parçacıklar ona katılır! Genel kabul gören klasik (kuantum olmayan) kütleçekimsel etkileşim teorisi, Einstein'ın genel görelilik teorisidir. Yerçekimi yıldız sistemlerindeki gezegenlerin hareketini belirler, yıldızlarda meydana gelen süreçlerde önemli bir rol oynar, Evrenin evrimini kontrol eder ve karasal koşullarda karşılıklı çekim gücü olarak kendini gösterir. Tabii ki, geniş yerçekimi etkileri listesinden sadece az sayıda örnek listeledik.
Genel göreliliğe göre, yerçekimi uzay-zamanın eğriliği ile ilgilidir ve sözde Riemann geometrisi ile tanımlanır. Şu anda, yerçekimine ilişkin tüm deneysel ve gözlemsel veriler, genel görelilik teorisi çerçevesine uymaktadır. Bununla birlikte, güçlü yerçekimi alanları hakkında esasen hiçbir veri yoktur, bu nedenle bu teorinin deneysel yönleri birçok soru içerir. Bu durum, öngörüleri güneş sistemindeki fiziksel etkiler için genel görelilik tahminlerinden pratik olarak ayırt edilemeyen, ancak güçlü yerçekimi alanlarında farklı sonuçlara yol açan çeşitli alternatif yerçekimi teorilerinin ortaya çıkmasına neden olur.
Tüm göreli etkileri ihmal edersek ve kendimizi zayıf durağan yerçekimi alanlarıyla sınırlarsak, genel görelilik teorisi Newton'un evrensel çekim teorisine indirgenir. Bu durumda bilindiği gibi m 1 ve m2 kütleleri ile iki noktalı parçacığın etkileşiminin potansiyel enerjisi,

r, parçacıklar arasındaki mesafedir, G, yerçekimi etkileşimi sabitinin rolünü oynayan Newton yerçekimi sabitidir. Bu ilişki, potansiyel etkileşim enerjisinin V (r) herhangi bir sonlu r için sıfır olmadığını ve çok yavaş bir şekilde sıfıra düştüğünü gösterir. Bu nedenle yerçekimi etkileşiminin uzun menzilli olduğu söyleniyor.
Genel göreliliğin birçok fiziksel tahmininden üçüne dikkat çekiyoruz. Kütleçekimsel tedirginliklerin yerçekimi dalgaları adı verilen dalgalar şeklinde uzayda yayılabileceği teorik olarak tespit edilmiştir. Zayıf yerçekimi bozukluklarının yayılması, birçok yönden elektromanyetik dalgalara benzer. Hızları ışık hızına eşittir, iki polarizasyon durumuna sahiptirler, girişim ve kırınım fenomeni ile karakterize edilirler. Bununla birlikte, yerçekimi dalgalarının madde ile son derece zayıf etkileşimi nedeniyle, doğrudan deneysel gözlemleri henüz mümkün olmamıştır. Bununla birlikte, ikili yıldız sistemlerindeki enerji kaybına ilişkin bazı astronomik gözlemlerin verileri, doğadaki kütleçekim dalgalarının olası varlığına işaret etmektedir.
Genel görelilik çerçevesinde yıldızların denge koşullarının teorik olarak incelenmesi, belirli koşullar altında yeterince büyük yıldızların felaketle çökmeye başlayabileceğini göstermektedir. Bu, yıldızın parlaklığından sorumlu süreçlerin neden olduğu iç basıncın yıldızı sıkıştırmaya meyilli yerçekimi kuvvetlerinin basıncını dengeleyemediği zaman, yıldızın evriminin oldukça geç aşamalarında mümkün olduğu ortaya çıkıyor. Sonuç olarak, sıkıştırma işlemi artık durdurulamaz. Genel görelilik teorisi çerçevesinde teorik olarak öngörülen açıklanan fiziksel fenomene kütleçekimsel çöküş denir. Araştırmalar, bir yıldızın yarıçapının, sözde yerçekimi yarıçapından daha küçük hale geldiğini göstermiştir.

R g \u003d 2GM / c 2,

m yıldızın kütlesi ve c ışık hızıdır, o zaman dışarıdan bir gözlemci için yıldız söner. Bu yıldızda gerçekleşen süreçlerle ilgili hiçbir bilgi dışarıdan bir gözlemciye ulaşamaz. Bu durumda yıldızın üzerine düşen cisimler yerçekimi yarıçapını serbestçe geçer. Bir gözlemci böyle bir vücut olarak kastediliyorsa, o zaman yerçekimindeki artış dışında hiçbir şey fark etmeyecektir. Böylece, bir kişinin girebileceği, ancak ışık huzmesi dahil hiçbir şeyin çıkamayacağı bir uzay bölgesi ortaya çıkar. Uzayın bu bölgesine kara delik denir. Kara deliklerin varlığı, genel göreliliğin teorik tahminlerinden biridir, bazı alternatif yerçekimi teorileri, bu tür bir fenomeni yasaklayacak şekilde inşa edilmiştir. Bu bakımdan kara deliklerin gerçekliği sorunu son derece önemlidir. Şu anda, Evrendeki kara deliklerin varlığını gösteren gözlemsel veriler var.
Genel görelilik teorisi çerçevesinde, Evrenin evrimi problemini ilk kez formüle etmek mümkün oldu. Böylece, bir bütün olarak Evren, spekülatif akıl yürütmenin bir nesnesi değil, bir fizik biliminin nesnesi haline gelir. Konusu bir bütün olarak Evren olan fizik dalına kozmoloji denir. Artık genişleyen bir evrende yaşadığımız iyi kurulmuş kabul ediliyor.
Evrenin evriminin modern resmi, Evren'in, uzay ve zaman gibi nitelikleri de dahil olmak üzere, Büyük Patlama adı verilen özel bir fiziksel fenomenin bir sonucu olarak ortaya çıktığı ve o zamandan beri genişlediği fikrine dayanmaktadır. Evrenin evrim teorisine göre, uzak galaksiler arasındaki mesafeler zamanla artmalı ve tüm Evren 3 K derecelik bir sıcaklıkta termal radyasyonla doldurulmalıdır. Teorinin bu tahminleri mükemmel bir uyum içindedir. astronomik gözlemlerin verileri ile. Aynı zamanda tahminler, Evren'in yaşının, yani Büyük Patlama'dan bu yana geçen sürenin yaklaşık 10 milyar yıl olduğunu gösteriyor. Big Bang'in ayrıntılarına gelince, bu fenomen yeterince çalışılmamış ve Big Bang'in gizeminden bir bütün olarak fizik bilimine bir meydan okuma olarak bahsedebiliriz. Büyük Patlama mekanizmasının açıklamasının yeni, henüz bilinmeyen Doğa yasalarıyla ilişkilendirilmesi mümkündür. Big Bang problemine olası bir çözümün genel kabul gören modern görüşü, yerçekimi teorisi ile kuantum mekaniğini birleştirme fikrine dayanmaktadır.

Kuantum yerçekimini anlamak

Kütleçekimsel etkileşimin kuantum tezahürlerinden hiç bahsedebilir miyiz? Genel olarak kuantum mekaniğinin ilkelerinin evrensel olduğuna ve herhangi bir fiziksel nesneye uygulanabilir olduğuna inanılmaktadır. Bu anlamda, yerçekimi alanı bir istisna değildir. Teorik çalışmalar, kuantum seviyesinde kütleçekimsel etkileşimin graviton adı verilen temel bir parçacık tarafından taşındığını göstermektedir. Gravitonun, spin 2'ye sahip kütlesiz bir bozon olduğu not edilebilir. Bir graviton değişiminin neden olduğu parçacıklar arasındaki yerçekimi etkileşimi, geleneksel olarak şu şekilde tasvir edilir:

Parçacık, hareketinin durumunun değişmesi nedeniyle bir graviton yayar. Başka bir parçacık gravitonu emer ve aynı zamanda hareketinin durumunu değiştirir. Sonuç, parçacıkların birbirleri üzerindeki etkisidir.
Daha önce belirttiğimiz gibi, yerçekimi etkileşimini karakterize eden eşleşme sabiti Newton sabit G'dir. G'nin boyutsal bir nicelik olduğu iyi bilinmektedir. Açıktır ki, etkileşimin yoğunluğunu tahmin etmek için boyutsuz bir bağlantı sabitine sahip olmak uygundur. Böyle bir sabit elde etmek için, temel sabitleri kullanabilirsiniz: (Planck sabiti) ve c (ışık hızı) - ve bir miktar referans kütlesi, örneğin proton kütlesi m p. O zaman yerçekimi etkileşiminin boyutsuz bağlantı sabiti olacaktır.

Gm p 2 / (c) ~ 6 10-39,

ki bu tabii ki çok küçük.
G ,, c temel sabitlerinden uzunluk, zaman, yoğunluk, kütle, enerji boyutlarına sahip nicelikler inşa etmenin mümkün olduğuna dikkat etmek ilginçtir. Bu miktarlara Planck değerleri denir. Özellikle, Planck uzunluğu l Pl ve Planck süresi t Pl aşağıdaki gibidir:

Her temel fiziksel sabit, belirli bir fiziksel fenomeni karakterize eder: G - yerçekimi fenomeni, - kuantum, c - göreceli. Bu nedenle, eğer bir ilişki aynı anda G ,, c içeriyorsa, bu, bu ilişkinin aynı anda kütleçekimsel, kuantum ve göreceli olan bir fenomeni tanımladığı anlamına gelir. Bu nedenle, Planck miktarlarının varlığı, Doğa'daki karşılık gelen fenomenlerin olası varlığını gösterir.
Elbette, lPl ve tPl'nin sayısal değerleri, makrokozmostaki niceliklerin karakteristik değerlerine kıyasla çok küçüktür. Ancak bu yalnızca, kuantum-yerçekimi etkilerinin zayıf bir şekilde tezahür ettiği anlamına gelir. Yalnızca karakteristik parametreler Planck değerleriyle karşılaştırılabilir hale geldiğinde anlamlı olabilirler.
Mikro dünya fenomeninin ayırt edici bir özelliği, fiziksel niceliklerin sözde kuantum dalgalanmalarına maruz kalmasıdır. Bu, belirli bir durumda fiziksel bir miktarın birden fazla ölçümü durumunda, prensip olarak, cihazın gözlenen nesne ile kontrolsüz etkileşimi nedeniyle farklı sayısal değerlerin elde edilmesi gerektiği anlamına gelir. Yerçekiminin uzay-zaman eğriliğinin tezahürü, yani uzay-zaman geometrisi ile ilişkili olduğunu hatırlayalım. Bu nedenle, tPl mertebesinde ve l Pl mertebesindeki mesafelerde, uzay-zaman geometrisinin bir kuantum nesnesi haline gelmesi ve geometrik özelliklerin kuantum dalgalanmaları yaşaması beklenebilir. Başka bir deyişle, Planck ölçeğinde sabit bir uzay-zaman geometrisi yoktur, mecazi anlamda konuşursak, uzay-zaman köpüren bir köpüktür.
Tutarlı bir kuantum yerçekimi teorisi inşa edilmedi. Çok küçük l Pl, t Pl değerleri nedeniyle, öngörülebilir herhangi bir gelecekte kuantum-yerçekimi etkilerinin kendini göstereceği deneyleri sahnelemenin mümkün olmayacağı beklenmelidir. Bu nedenle, kuantum yerçekimi sorularının teorik olarak incelenmesi, ilerlemenin tek yolu olmaya devam ediyor. Bununla birlikte, kuantum yerçekiminin önemli olabileceği fenomenler var mı? Evet var ve onlar hakkında zaten konuştuk. Bunlar kütleçekimsel çöküş ve Büyük Patlama. Klasik yerçekimi teorisine göre, kütleçekimsel çökmeye maruz kalan bir nesne, keyfi olarak küçük bir boyuta sıkıştırılmalıdır. Bu, boyutunun klasik teorinin artık uygulanabilir olmadığı lPl ile karşılaştırılabilir hale gelebileceği anlamına gelir. Aynı şekilde, Büyük Patlama sırasında, Evrenin yaşı t Pl ile karşılaştırılabilirdi ve l Pl mertebesinde boyutlara sahipti. Bu, klasik teori çerçevesinde Big Bang'in fiziğini anlamanın imkansız olduğu anlamına gelir. Böylece, kütleçekimsel çöküşün son aşamasının ve Evrenin evriminin ilk aşamasının tanımı, ancak kuantum kütleçekimi teorisinin katılımıyla gerçekleştirilebilir.

Zayıf etkileşim

Bu etkileşim, kuantum etkilerinin temel öneme sahip olduğu temel parçacıkların bozunmalarında deneysel olarak gözlemlenen temel etkileşimlerin en zayıfıdır. Yerçekimi etkileşiminin kuantum tezahürlerinin hiç gözlemlenmediğini hatırlayın. Zayıf etkileşim, aşağıdaki kural kullanılarak ayırt edilir: eğer nötrino (veya antinötrino) olarak adlandırılan temel bir parçacık etkileşime katılırsa, bu etkileşim zayıftır.

Zayıf bir etkileşimin tipik bir örneği, bir nötronun beta bozunmasıdır.

N p + e - + e,

burada n bir nötron, p bir proton, e bir elektron, e bir elektron antinötrinodur. Bununla birlikte, yukarıdaki kuralın, herhangi bir zayıf etkileşim eylemine nötrinolar veya antinötrinoların eşlik etmesi gerektiği anlamına gelmediği unutulmamalıdır. Çok sayıda nötrinoless bozunmanın meydana geldiği bilinmektedir. Örnek olarak, bir lambda-hiperonun bozunma sürecini bir proton p'ye ve negatif yüklü bir pion π --'ye not edebiliriz. Modern kavramlara göre, nötron ve proton gerçekten temel parçacıklar değildir, ancak kuark adı verilen temel parçacıklardan oluşur.
Zayıf etkileşimin yoğunluğu, Fermi kuplaj sabiti G F ile karakterize edilir. Sabit G F boyutsaldır. Boyutsuz bir miktar oluşturmak için, bir miktar referans kütle, örneğin proton kütlesi m p kullanmak gerekir. Daha sonra boyutsuz bağlantı sabiti olacaktır

G F m p 2 ~ 10-5.

Zayıf etkileşimin yerçekimsel etkileşime göre çok daha yoğun olduğu görülmektedir.
Zayıf etkileşim, yerçekimsel olanın aksine, kısa menzilli. Bu, parçacıklar arasındaki zayıf etkileşimin yalnızca parçacıklar birbirine yeterince yakın olduğunda etkili olacağı anlamına gelir. Parçacıklar arasındaki mesafe, karakteristik etkileşim yarıçapı adı verilen belirli bir değeri aşarsa, zayıf etkileşim kendini göstermez. Zayıf etkileşimin karakteristik yarıçapının 10-15 cm civarında olduğu, yani zayıf etkileşimin atom çekirdeğinin boyutlarından daha küçük mesafelerde yoğunlaştığı deneysel olarak tespit edilmiştir.
Neden bağımsız bir temel etkileşim biçimi olarak zayıf etkileşimden bahsedebiliriz? Cevap basit. Temel parçacıkların yerçekimi, elektromanyetik ve güçlü etkileşimlere indirgenmeyen dönüşüm süreçlerinin olduğu tespit edilmiştir. Nükleer fenomenlerde niteliksel olarak farklı üç etkileşim olduğunu gösteren güzel bir örnek, radyoaktivite ile ilişkilidir. Deneyler, üç farklı radyoaktivite türünün varlığını göstermektedir: -, - ve - radyoaktif bozulmalar. Bu durumda, -decay güçlü etkileşimden, -decay - elektromanyetikten kaynaklanmaktadır. Kalan bozulma elektromanyetik ve güçlü etkileşimlerle açıklanamaz ve zayıf denen bir temel etkileşim daha olduğunu kabul etmek zorundayız. Genel durumda, zayıf bir etkileşime girme ihtiyacı, elektromanyetik ve güçlü bozulmaların koruma yasaları tarafından yasaklandığı doğada süreçlerin meydana gelmesinden kaynaklanmaktadır.
Zayıf etkileşim esas olarak çekirdeğin içinde yoğunlaşsa da, bazı makroskopik belirtilere sahiptir. Daha önce de belirttiğimiz gibi, β-radyoaktivite süreciyle ilişkilidir. Ek olarak, zayıf etkileşim, yıldızlarda enerji salınım mekanizmasından sorumlu olan sözde termonükleer reaksiyonlarda önemli bir rol oynar.
Zayıf etkileşimin en şaşırtıcı özelliği, ayna asimetrisinin tezahür ettiği süreçlerin varlığıdır. İlk bakışta sol ve sağ kavramları arasındaki farkın keyfi olduğu aşikar görünüyor. Gerçekte, kütleçekimsel, elektromanyetik ve güçlü etkileşim süreçleri, aynasal yansımayı gerçekleştiren uzamsal inversiyona göre değişmezdir. Bu tür süreçlerde uzamsal parite P'nin korunduğu söylenir, ancak deneysel olarak zayıf süreçlerin uzamsal paritenin korunmaması ile ilerleyebileceği ve bu nedenle sol ve sağ arasındaki farkı hissediyor gibi göründüğü tespit edilmiştir. Şu anda, zayıf etkileşimlerde parite korunmamasının evrensel olduğuna dair sağlam deneysel kanıtlar var; kendini yalnızca temel parçacıkların bozulmalarında değil, aynı zamanda nükleer ve hatta atomik olaylarda da gösteriyor. Ayna asimetrisinin en temel düzeyde Doğanın bir özelliği olduğu kabul edilmelidir.
Zayıf etkileşimlerdeki parite korumasızlık o kadar sıra dışı görünüyordu ki, keşfinden hemen sonra, teorisyenler gerçekte sol ve sağ arasında tam bir simetri olduğunu, ancak daha önce düşünüldüğünden daha derin bir anlamı olduğunu göstermeye çalıştılar. Speküler yansımaya, parçacıkların antiparçacıklarla yer değiştirmesi eşlik etmelidir (yük konjugasyonu C) ve sonra tüm temel etkileşimler değişmez olmalıdır. Ancak daha sonra bu değişmezliğin evrensel olmadığı anlaşıldı. Sözde uzun ömürlü nötr kaonların dec +, π - piyonlarına zayıf bozunmaları vardır, belirtilen değişmezlik gerçekten gerçekleşmişse yasaktır. Bu nedenle, zayıf etkileşimin ayırt edici bir özelliği, CP'nin değişmezliğidir. Evrendeki maddenin antiparçacıklardan oluşan antimaddeye önemli ölçüde hakim olmasından bu özelliğin sorumlu olması mümkündür. Dünya ve dünya karşıtı asimetriktir.
Hangi parçacıkların zayıf etkileşimin taşıyıcıları olduğu sorusu uzun bir süre belirsizdi. Anlama, nispeten yakın zamanda, birleşik elektrozayıf etkileşim teorisi - Weinberg-Salam-Glashow teorisi - çerçevesinde elde edildi. Artık genel olarak, zayıf etkileşimin taşıyıcılarının sözde W ± - ve Z 0-bosonları olduğu kabul edilmektedir. Bunlar yüklü W ± ve nötr Z 0 temel parçacıkları spin 1 ve büyüklük sırasına göre 100 mp'ye eşit kütlelerdir.

Elektromanyetik etkileşim

Tüm yüklü cisimler, tüm yüklü temel parçacıklar elektromanyetik etkileşime katılır. Bu anlamda oldukça evrenseldir. Klasik elektromanyetik etkileşim teorisi, Maxwellian elektrodinamiğidir. Elektron yükü e eşleşme sabiti olarak alınır.
İki dinlenme noktası yükünü q 1 ve q 2 düşünürsek, elektromanyetik etkileşimleri bilinen bir elektrostatik kuvvete indirgenecektir. Bu, etkileşimin uzun menzilli olduğu ve yükler arasındaki mesafenin artmasıyla yavaş yavaş azaldığı anlamına gelir.
Elektromanyetik etkileşimin klasik tezahürleri iyi bilinmektedir ve bunlar üzerinde durmayacağız. Kuantum teorisinin bakış açısından, elektromanyetik etkileşimin taşıyıcısı temel bir parçacık fotonudur - spin 1 ile kütlesiz bir bozondur. Yükler arasındaki kuantum elektromanyetik etkileşim, geleneksel olarak aşağıdaki gibi tasvir edilir:

Yüklü bir parçacık bir foton yayar ve bunun sonucunda hareketinin durumu değişir. Başka bir parçacık bu fotonu emer ve aynı zamanda hareket durumunu değiştirir. Sonuç olarak, parçacıklar birbirlerinin varlığını hissediyor gibi görünüyor. Elektrik yükünün boyutsal bir miktar olduğu iyi bilinmektedir. Elektromanyetik etkileşimin boyutsuz bir bağlantı sabitinin tanıtılması uygundur. Bunu yapmak için, temel sabitleri ve c'yi kullanmanız gerekir. Sonuç olarak, atom fiziğinde ince yapı sabiti α \u003d e 2 / c ≈ 1/137 olarak adlandırılan aşağıdaki boyutsuz eşleşme sabitine ulaşıyoruz.

Bu sabitin yerçekimi ve zayıf etkileşim sabitlerini önemli ölçüde aştığını görmek kolaydır.
Modern bir bakış açısından, elektromanyetik ve zayıf etkileşimler, tek bir elektrozayıf etkileşimin farklı taraflarıdır. Elektromanyetik ve zayıf etkileşimlerin tüm yönlerini birleşik bir bakış açısıyla açıklayan Weinberg-Salam-Glashow teorisi olan birleşik bir elektrozayıf etkileşim teorisi yaratıldı. Niteliksel düzeyde, birleşik etkileşimin birbirinden bağımsız etkileşimlere nasıl bölündüğünü anlamak mümkün müdür?
Karakteristik enerjiler yeterince küçük olduğu sürece elektromanyetik ve zayıf etkileşimler ayrıdır ve birbirini etkilemez. Enerjide bir artışla, karşılıklı etkileri başlar ve yeterince yüksek enerjilerde, bu etkileşimler tek bir elektro-zayıf etkileşimde birleşir. Karakteristik birleşme enerjisi, büyüklük sırasına göre 10 2 GeV olarak tahmin edilir (GeV, gigaelectron-volt, 1 GeV \u003d 10 9 eV, 1 eV \u003d 1.6 · 10 -12 erg \u003d 1.6 · 10 19 J olarak kısaltılır). Karşılaştırma için, hidrojen atomunun temel durumundaki bir elektronun karakteristik enerjisinin 10-8 GeV, bir atom çekirdeğinin karakteristik bağlanma enerjisinin 10-2 GeV düzeyinde olduğunu ve Bir katının karakteristik bağlanma enerjisi 10 -10 GeV düzeyindedir. Bu nedenle, elektromanyetik ve zayıf etkileşimlerin birleşmesinin karakteristik enerjisi, atomik ve nükleer fiziğindeki karakteristik enerjilere kıyasla çok büyüktür. Bu nedenle elektromanyetik ve zayıf etkileşimler, tek özlerini sıradan fiziksel olaylarda göstermezler.

Güçlü etkileşim

Atom çekirdeğinin kararlılığından güçlü etkileşimler sorumludur. Çoğu kimyasal elementin atom çekirdeği kararlı olduğundan, onları çürümekten alıkoyan etkileşimin yeterince güçlü olması gerektiği açıktır. Çekirdeklerin proton ve nötronlardan oluştuğu iyi bilinmektedir. Pozitif yüklü protonların farklı yönlere dağılmasını önlemek için, aralarında elektrostatik itme kuvvetlerini aşan çekici kuvvetlere sahip olmak gerekir. Bu çekim kuvvetlerinin sorumlusu güçlü etkileşimdir.
Güçlü etkileşimin karakteristik bir özelliği, yükten bağımsız olmasıdır. Protonlar, nötronlar ve bir proton ile nötron arasındaki nükleer çekim kuvvetleri esasen aynıdır. Bu nedenle, güçlü etkileşimler açısından proton ve nötronun ayırt edilemez olduğu ve bunlar için tek bir terimin kullanıldığı anlaşılmaktadır. nükleonyani çekirdeğin bir parçacığı.

Güçlü etkileşimin karakteristik ölçeği, hareketsiz haldeki iki nükleon dikkate alınarak gösterilebilir. Teori, Yukawa potansiyeli biçiminde etkileşimlerinin potansiyel enerjisine yol açar.

r 0 ≈10 -13 cm değerinin büyüklük sırasına göre çekirdeğin karakteristik boyutuyla çakıştığı, g güçlü etkileşimin eşleşme sabitidir. Bu ilişki, güçlü etkileşimin kısa menzilli olduğunu ve esasen tamamen çekirdeğin karakteristik boyutunu aşmayan mesafelerde yoğunlaştığını gösterir. R\u003e r 0 için, pratik olarak kaybolur. Güçlü etkileşimin iyi bilinen makroskopik bir tezahürü, radyoaktivitenin etkisidir. Bununla birlikte, Yukawa potansiyelinin evrensel bir güçlü etkileşim özelliği olmadığı ve temel yönleriyle ilgili olmadığı unutulmamalıdır.
Şu anda, kuantum kromodinamiği adı verilen güçlü etkileşimin bir kuantum teorisi var. Bu teoriye göre, güçlü etkileşimin taşıyıcıları temel parçacıklardır - gluonlar. Modern kavramlara göre, güçlü etkileşimlere katılan ve hadron adı verilen parçacıklar, temel parçacıklardan - kuarklardan oluşur.
Kuarklar, sıfır olmayan kütleye sahip spin 1/2 fermiyonlardır. Kuarkların en şaşırtıcı özelliği, kesirli elektrik yükleridir. Kuarklar, aşağıdaki gibi ifade edilen üç çift (üç nesil çift) halinde oluşturulur:

sen	c
d	s	b

Her tür kuark genellikle bir çeşni olarak adlandırılır, bu nedenle altı kuark çeşnisi vardır. Bu durumda u-, c-, t-kuarkların elektrik yükü 2/3 | e | ve d-, s-, b-kuarklar -1/3 | e | elektrik yüküdür, burada e elektron yüküdür. Ek olarak, belirli bir çeşninin üç kuarkı vardır. Renk adı verilen ve üç değer alan bir kuantum numarasıyla ayırt edilirler: sarı, mavi, kırmızı. Her kuark, belirli bir kuarka göre zıt elektrik yüküne sahip bir antikuarka karşılık gelir ve sözde anti-renk: anti-sarı, anti-mavi, anti-kırmızı. Koku ve renk sayısı dikkate alındığında toplamda 36 kuark ve antikuark olduğunu görüyoruz.
Kuarklar, kütlesiz spin-1 bozonları olan sekiz gluon alışverişi yoluyla birbirleriyle etkileşirler.Etkileşim sırasında kuarkların renkleri değişebilir. Bu durumda, güçlü etkileşim geleneksel olarak şu şekilde tasvir edilir:

Hadronun bir parçası olan kuark, hadronun hareket durumunun değişmesine bağlı olarak bir gluon yayar. Bu gluon, başka bir hadronun parçası olan bir kuark tarafından emilir ve hareketinin durumunu değiştirir. Sonuç olarak, hadronların birbirleriyle etkileşimi vardır.
Doğa öyle düzenlenmiştir ki, kuarkların etkileşimi her zaman tam olarak hadron olan renksiz sınır durumlarının oluşumuna yol açar. Örneğin, bir proton ve bir nötron üç kuarktan oluşur: p \u003d uud, n \u003d udd. Pion π - bir u kuarkı ve bir antikuarktan oluşur: π - \u003d u. Gluonlar aracılığıyla kuark-kuark etkileşiminin ayırt edici bir özelliği, kuarklar arasındaki mesafe azaldıkça etkileşimlerinin zayıflamasıdır. Bu fenomen asimptotik özgürlük olarak adlandırılır ve hadronların içinde kuarkların serbest parçacıklar olarak kabul edilebileceği gerçeğine yol açar. Asimptotik özgürlük doğal olarak kuantum kromodinamiğinden kaynaklanır. Kuarkların hadron içinde olması enerjisel olarak elverişli olduğu için, artan mesafe ile kuarklar arasındaki etkileşimin artması gerektiğine dair deneysel ve teorik göstergeler vardır. Bu, yalnızca renksiz nesneleri - hadronları - gözlemleyebileceğimiz anlamına gelir. Renkli tek kuarklar ve gluonlar, serbest durumda var olamazlar. Temel parçacıkların renkli hadronlar ile hapsedilmesi olgusuna hapsetme denir. Hapsedilmeyi açıklamak için çeşitli modeller önerildi, ancak teorinin ilk ilkelerinden gelen tutarlı bir açıklama henüz oluşturulmadı. Niteliksel bir bakış açısına göre, zorluklar renge sahip olan gluonların birbirleri de dahil olmak üzere tüm renkli nesnelerle etkileşime girmesi gerçeğiyle ilişkilidir. Bu nedenle, kuantum kromodinamiği esasen doğrusal olmayan bir teoridir ve kuantum elektrodinamiğinde ve elektrozayıf teoride benimsenen yaklaşık araştırma yöntemleri, güçlü etkileşimler teorisinde pek yeterli değildir.

Etkileşimleri birleştirmedeki eğilimler

Kuantum seviyesinde, tüm temel etkileşimlerin kendilerini aynı şekilde gösterdiğini görüyoruz. Bir maddenin temel bir parçacığı, bir maddenin başka bir temel parçacığı tarafından emilen bir etkileşim taşıyıcısı olan temel bir parçacık yayar. Bu, madde parçacıklarının birbirleri üzerindeki karşılıklı etkisine yol açar.
Güçlü etkileşimin boyutsuz bağlantı sabiti, g2 / (c) 10 formundaki ince yapı sabiti ile benzer şekilde oluşturulabilir. Boyutsuz bağlantı sabitlerini karşılaştırırsak, o zaman en zayıfın yerçekimi etkileşimi olduğunu ve ardından zayıf, elektromanyetik ve güçlü olanın konumlandığını görmek kolaydır.
Şimdilerde standart olarak adlandırılan halihazırda geliştirilmiş elektrozayıf etkileşimler teorisini hesaba katarsak ve birleşme eğilimini takip edersek, birleşik bir elektrozayıf ve güçlü etkileşimler teorisi inşa etme sorunu ortaya çıkar. Şu anda, büyük birleşme modeli olarak adlandırılan böyle birleşik bir teorinin modelleri oluşturulmuştur. Tüm bu modellerin ortak birçok yönü vardır, özellikle, birleşmenin karakteristik enerjisi, elektromanyetik ve zayıf etkileşimlerin birleşmesinin karakteristik enerjisini önemli ölçüde aşan, 10 15 GeV düzeyinde olduğu ortaya çıkar. Bundan, büyük birleşmenin doğrudan deneysel bir çalışmasının oldukça uzak bir gelecekte bile sorunlu göründüğü sonucu çıkar. Karşılaştırma için, modern hızlandırıcılarda elde edilebilen en yüksek enerjinin 103 GeV'yi geçmediğini not ediyoruz. Bu nedenle, büyük birleşme ile ilgili herhangi bir deneysel veri elde edilse bile, bunlar yalnızca dolaylı nitelikte olabilir. Özellikle, büyük birleşme modelleri, proton bozunmasını ve büyük kütleli bir manyetik tek kutupun varlığını öngörür. Bu tahminlerin deneysel olarak doğrulanması, birleşme eğilimleri için muazzam bir zafer olacaktır.
Tek bir büyük etkileşimin ayrı güçlü, zayıf ve elektromanyetik etkileşimlere bölünmesinin genel resmi aşağıdaki gibidir. 10 15 GeV ve üstü düzeydeki enerjilerde, birleşik bir etkileşim vardır. Enerji 10 15 GeV'nin altına düştüğünde, güçlü ve zayıf etkileşimler birbirinden ayrılır ve farklı temel etkileşimler olarak görünür. Enerjide 10 2 GeV'nin altına daha fazla düşüşle, zayıf ve elektromanyetik etkileşimlerin ayrılması meydana gelir. Sonuç olarak, makroskopik fenomenlerin fiziğinin karakteristiği olan enerjiler ölçeğinde, söz konusu üç etkileşim, tek bir doğaya sahip değilmiş gibi görünür.
Şimdi 10 15 GeV enerjisinin Planck enerjisinden çok uzak olmadığına dikkat edin.

kuantum-yerçekimi etkilerinin önemli hale geldiği. Bu nedenle, büyük birleşme teorisi kaçınılmaz olarak kuantum yerçekimi sorununa yol açar. Birleşme eğilimini izlemeye devam edersek, enerji Planck değerinden enerjilere düşerken, ayrı yerçekimsel, güçlü, zayıf ve elektromanyetik olarak sırayla bölünen, her şeyi kapsayan temel bir etkileşimin varlığı fikrini kabul etmeliyiz. 10 2 GeV'den az.
Bu kadar büyük bir birleştirici teorinin inşası, görünüşe göre, elektrozayıf etkileşimlerin standart teorisine ve büyük birleşme modellerine yol açan fikirler sistemi çerçevesinde mümkün değildir. Yeni, muhtemelen çılgın gibi görünen fikirleri, fikirleri, yöntemleri cezbetmek gerekiyor. Son zamanlarda geliştirilen süper yerçekimi ve sicim teorisi gibi çok ilginç yaklaşımlara rağmen, tüm temel etkileşimleri birleştirme sorunu hala açık kalıyor.

Sonuç

Böylece, Doğanın dört temel etkileşimi ile ilgili temel bilgilere genel bir bakış yaptık. Bu etkileşimlerin mikroskobik ve makroskobik tezahürleri, önemli bir rol oynadıkları fiziksel olayların resmi kısaca anlatılmıştır.
Mümkün olan her yerde, birleşme eğiliminin izini sürmeye, temel etkileşimlerin ortak özelliklerini not etmeye, fenomenlerin karakteristik ölçeğine ilişkin veri sağlamaya çalıştık. Elbette, burada sunulan materyal eksiksiz olduğunu iddia etmiyor ve sistematik bir sunum için gerekli birçok önemli detayı içermiyor. Tarafımızdan ortaya çıkan sorunların ayrıntılı bir açıklaması, modern teorik yüksek enerji fiziğinin tüm yöntemlerinin kullanılmasını gerektirir ve bu makalenin, popüler bilim literatürünün kapsamı dışındadır. Amacımız, modern teorik yüksek enerji fiziğinin başarılarının genel resmini, gelişiminin eğilimlerini sunmaktı. Okuyucunun, materyalin bağımsız, daha ayrıntılı bir çalışmasına olan ilgisini uyandırmaya çalıştık. Elbette bu yaklaşımla belirli bir pürüzlülük kaçınılmazdır.
Önerilen kaynakça, daha hazırlıklı bir okuyucunun makalede tartışılan konulara ilişkin anlayışını derinleştirmesine olanak tanır.

1. Okun L.B. a, b, g, Z.Moskova: Nauka, 1985.
2. Okun L.B. Temel parçacıkların fiziği. Moskova: Nauka, 1984.
3. Novikov kimliği Evren nasıl patladı. Moskova: Nauka, 1988.
4. Friedman D., van. P. Nieuwenhuisen, Uspekhi fiz. bilimler. 1979, cilt 128, no. 135.
5. Hawking S. Büyük Patlamadan Kara Deliklere: Zamanın Kısa Tarihi. M: Mir, 1990.
6. Davis P. Superpower: Birleşik Bir Doğa Teorisi Arayışı. Moskova: Mir, 1989.
7. Zeldovich Ya.B., Khlopov M.Yu. Doğa bilgisindeki fikirlerin draması. Moskova: Nauka, 1987.
8. Gottfried K., Weisskopf W. Parçacık fiziği kavramları. Moskova: Mir, 1988.
9. Coughlan G.D., Dodd J.E. Parçacık Fiziği Fikirleri. Cambridge: Cambridge Üniv. Basın, 1993.

Güç - Diğer cisimlerin belirli bir gövdesi ve ayrıca alanlar üzerindeki etkinin yoğunluğunun bir ölçüsü olan vektör fiziksel miktarı. Büyük bir cisme uygulanan kuvvet, hızındaki bir değişikliğin veya içindeki deformasyonların ortaya çıkmasının nedenidir.

Modern bilimde 4 tür etkileşim vardır. Mekanikte ele alınan bunlardan ikisine denir. yerçekimsel ve elektromanyetik... Daha basit olanlara indirgenemeyen kuvvetlere karşılık gelirler ve bu nedenle denir temel... İki tane daha: güçlü ve zayıf olan nükleerdir. Yerçekimi ve g. Deformasyon - bu, diğer vücutların etkisi altında vücudun boyutunda veya şeklinde bir değişikliktir. Okul fiziği dersinden de bildiğiniz gibi, tüm bedenler elektriksel yüklerden oluşur. Cisimler deforme olduğunda, yükler arasındaki mesafeler değişir ve bu da, yükler arasındaki çekim ve itme kuvvetleri arasında bir dengesizliğe yol açar. Vücut gerildiğinde, yükler arasındaki çekim kuvvetleri hakim olur ve vücut gerilmeye "direnir", benzer şekilde, vücut sıkıştırıldığında, itme kuvvetleri hakim olur. Hook kanunu. Tepki kuvvetini ve süspansiyon gerilme kuvvetini destekleyin. İÇİNDE vücut ağırlığı vücudun bir destek veya süspansiyona etki ettiği kuvvet olarak adlandırılır. Gövde, destek veya süspansiyon ile etkileşime girdiğinde, gövdenin kendisi deforme olur, bu da destek veya süspansiyona etki eden elastik bir kuvvetin ortaya çıkmasına neden olur. Newton'un üçüncü yasasına göre ağırlık kuvvetleri ve desteğin tepkisi birbiriyle ilişkilidir. Askıya alınan bir organ için de benzer bir eşitlik vardır. T \u003d P. Sürtünme kuvveti.

Klasik mekanik çerçevesinde, yerçekimi etkileşimi, Newton'un evrensel kütleçekimi yasası ile tanımlanır; bu yasada, iki malzeme kütle noktası arasındaki yerçekimi kuvvetinin mesafeyle ayrılmış, her iki kütle ile orantılı olduğunu ve kare ile ters orantılı olduğunu belirtir. mesafenin - yani:

Elektrik yüklü parçacıklar arasında elektromanyetik etkileşim vardır. Modern bir bakış açısından, yüklü parçacıklar arasındaki elektromanyetik etkileşim doğrudan değil, yalnızca elektromanyetik alan aracılığıyla gerçekleştirilir.

Güçlü etkileşim, kuarklar, gluonlar ve bunlardan oluşan, hadronlar (baryonlar ve mezonlar) adı verilen parçacıkları içerir. Hadronlardaki kuarklar arasındaki bağdan ve çekirdeklerdeki nükleonlar (bir tür baryonlar - protonlar ve nötronlar) arasındaki çekimden sorumlu olan bir atom çekirdeği veya daha küçük boyut sırasına göre hareket eder.

Zayıf etkileşimveya zayıf nükleer kuvvet doğadaki dört temel etkileşimden biridir. Özellikle çekirdeğin beta bozunmasından sorumludur. Bu etkileşim zayıf olarak adlandırılır, çünkü nükleer fizik için önemli olan diğer iki etkileşim (güçlü ve elektromanyetik) çok daha yüksek yoğunluk ile karakterize edilir. Bununla birlikte, temel etkileşimlerin dördüncüsü olan yerçekiminden çok daha güçlüdür. Zayıf etkileşim kısa menzilli - atom çekirdeğinin boyutundan çok daha küçük mesafelerde kendini gösteriyor.

Hangi güçleri biliyorsun? Yerçekimi, iplik gerginliği,bir yayın sıkışması, cisimlerin çarpışması, sürtünme, patlama, hava ve orta direnç, bir sıvının yüzey gerilimi, van der Waals kuvvetleri - ve liste burada bitmiyor. Ancak tüm bu kuvvetler, dört temel kuvvetin türevleridir! Tartışılacaklar.

Dört kuvvet

Fizik kanunlarının temellerinin temeli şunlardır: dört temel etkileşim, evrendeki tüm süreçlerden sorumludur. Temel parçacıklar varlığın tuğlaları ile karşılaştırılabilirse, etkileşimler bir çimento harcıdır. Güçlü, elektromanyetik, zayıf ve yerçekimi - bu sırayla, güçlüden zayıfa doğru etkileşimler dikkate alınır. Daha basit olanlara indirgenemezler - bu yüzden temel olarak adlandırılırlar.

Kuvvetlerin tanımına geçmeden önce, etkileşim kelimesinin ne anlama geldiğini açıklamak gerekir. Fizikçiler bunu belirli aracıların değiş tokuşunun bir sonucu olarak görürler, genellikle etkileşim taşıyıcıları.

En yoğun ile başlayalım. kuvvetli etkileşim, atomun aktif araştırma döneminde geçen yüzyılın 30'larında keşfedildi. Çekirdeğinin bütünlüğünün ve istikrarının son derece güçlü etkileşimle tam olarak sağlandığı ortaya çıktı. nükleonlar onların arasında.

Nükleonlar (Latin çekirdeğinden - çekirdek) - bir atomun çekirdeğinin ana bileşenleri olan protonlar ve nötronlar için ortak bir isim. Güçlü etkileşim açısından bu parçacıklar ayırt edilemez. Nötron, protondan% 0.13 daha ağırdır - bu, yerçekimi etkileşiminin gözlemlendiği hareketsiz kütleye sahip tek temel parçacık haline gelmek için yeterli olduğu ortaya çıktı.

Çekirdeklerin içerikleri, güçlü etkileşimin "resmi" taşıyıcıları olan özel quanta - π-mezonlar nedeniyle birbirine çekilir. Böyle bir nükleer kuvvet, en zayıf etkileşimden - yerçekiminden 1038 kat daha yoğundur. Güçlü etkileşim aniden ortadan kalkarsa, evrendeki atomlar anında parçalanır. Arkalarında moleküller var, sonra madde - temel parçacıklar haricinde çevremizdeki tüm gerçeklik var olmaktan çıkar. "İlişkilerinin" ilginç bir özelliği, kısa menzilli eylemdir: pozitif yüklü parçacıklar, protonlar, yalnızca doğrudan temas halinde birbirlerine çekilirler.

Protonlar birbirinden biraz uzaktaysa, elektromanyetik benzer yüklü parçacıkların itildiği ve benzer yüklü parçacıkların çekildiği bir etkileşim. Yüksüz parçacıklar söz konusu olduğunda, bu kuvvet ortaya çıkmaz - ünlü Coulomb'un sabit nokta elektrik yükleri yasasını hatırlayın. Elektromanyetik kuvvetlerin taşıyıcıları, diğer şeylerin yanı sıra Güneş enerjisinin gezegenimize transferini sağlayan fotonlardır. Bu gücün dışlanması Dünya'yı tamamen donmakla tehdit ediyor. Elektromanyetik etkileşim yerçekimsel etkileşimden 1035 kat daha güçlüdür, yani nükleer etkileşimden sadece 100 kat daha zayıftır.

Doğa, gözden kaybolan düşük yoğunluk ve çok küçük bir etki yarıçapı (bir atom çekirdeğinden daha az) ile karakterize edilen bir temel kuvvet daha öngörmüştür. o güçsüz etkileşim - özel yüklü ve nötr bozonlar tarafından taşınır. Zayıf kuvvetlerin sorumluluk alanı, bir proton, bir elektron ve (anti-) nötrino oluşumunun eşlik ettiği bir nötronun beta bozunmasıdır. Bu tür dönüşümler, siz ve benim için bu temel etkileşimin önemini belirleyen Güneş'te aktif olarak gerçekleşiyor.

(Un) keşfedilen yerçekimi

Tanımlanan tüm kuvvetler yeterince ayrıntılı olarak incelenmiş ve organik olarak dünyanın fiziksel resmine yerleştirilmiştir. Ancak son güç yerçekimsel, o kadar düşük bir yoğunlukta farklılık gösterir ki, kişinin hala özü hakkında tahmin etmesi gerekir.

Yerçekimi etkileşiminin paradoksu, onu her saniye hissetmemizdir, ancak taşıyıcıyı hiçbir şekilde düzeltemeyiz. Işık hızıyla gravitonun varsayımsal bir kuantumunun varlığına dair yalnızca bir varsayım vardır. Girişim ve kırınım yeteneğine sahiptir, ancak şarjı yoktur. Bilim adamları, bir parçacık bir graviton yaydığında, hareketinin doğasının değiştiğine inanıyor - bir kuantum alan bir parçacıkla benzer bir durum gelişiyor. Teknolojinin durumu henüz gravitonu "görmemize" ve özelliklerini daha detaylı incelememize izin vermiyor. Yerçekiminin yoğunluğu, zayıf etkileşimden 1025 kat daha azdır.

Nasıl oluyor da, yerçekimi kuvvetinin hiç de zayıf görünmediğini söylüyorsunuz! Bu, 4 numaralı temel etkileşimin benzersiz özellikleridir. Örneğin, evrensellik - herhangi bir kütleye sahip herhangi bir cisim, uzayda herhangi bir engeli geçebilecek bir çekim alanı yaratır. Dahası, yalnızca bu etkileşim için karakteristik olan bir özellik olan yerçekimi kuvveti nesnenin kütlesi ile birlikte artar.

Bu nedenle insana kıyasla devasa olan Dünya, kendi çevresinde havayı, suyu, kayaları ve tabii ki canlı bir kabuğu yüzeyde tutan bir çekim alanı yaratır. Yerçekimi bir anda iptal edilirse uzaya çıkma hızımız 500 m / s olacaktır. Elektromanyetik etkileşim ile birlikte yerçekiminin uzun bir menzili vardır. Bu nedenle, Evrendeki hareket eden cisimler sistemindeki rolü muazzamdır. Birbirinden oldukça uzakta olan iki insan arasında bile, mikroskobik bir çekim kuvveti vardır.

Yerçekimi Topu, yerelleştirilmiş bir yerçekimi alanı oluşturan kurgusal bir silahtır. Silah, alanın oluşturduğu kuvvet nedeniyle nesneleri çekmenize, kaldırmanıza ve fırlatmanıza izin verir. Bu konsept ilk olarak Half-life 2 bilgisayar oyununda kullanıldı.

Yatay bir eksen etrafında serbestçe dönen dairesel bir çerçevenin ortasına dikey olarak monte edilmiş bir topaç düşünün. Bu çerçeve - buna iç çerçeve diyelim - sırayla, yatay düzlemde de serbestçe dönen dış dairesel çerçeveye sabitlenmiştir. Tepenin etrafındaki yapı seçildi gimbalve tüm bunlar bir arada jiroskop.

Hareketsiz haldeyken, jiroskobun tepesi dik bir pozisyonda huzur içinde döner, ancak dış kuvvetler - örneğin hızlanma - tepenin dönme eksenini döndürmeye çalışır çalışmaz, bu etkiye dik döner. Jiroskopta tepeyi ne kadar çok döndürmeye çalışırsak çalışalım, yine de dik konumda dönecektir. En gelişmiş jiroskoplar, ilk kez bir Fransız tarafından gösterilen Dünya'nın dönüşüne bile tepki veriyor. Jean Bernard Foucault 1851'de. Jiroskobu çerçeveye göre üst kısmın konumunu okuyan bir sensörle donatırsak, bir nesnenin uzaydaki hareketini izlememizi sağlayan doğru bir navigasyon cihazı elde ederiz - örneğin bir uçak.

Yerçekimi etkileri

Yerçekimi uzayda büyük, çok daha büyük nesnelerle acımasız bir şaka yapabilir - örneğin, evrimin sonraki aşamalarındaki yıldızlar. Yerçekimi kuvveti yıldızı sıkıştırır ve belirli bir anda iç basıncı aşar. Böyle bir nesnenin yarıçapı yerçekimsel olandan daha az olduğunda, çöküşve yıldız söner. Bundan daha fazla bilgi çıkmaz, ışık ışınları bile devasa çekim gücünün üstesinden gelemez. Kara delik böyle doğar.

Gezegenler, çok daha minyatür nesneler, kendi kütleçekim özelliklerine sahiptir. Yani Dünya, kendi kütlesi nedeniyle uzay-zamanı büküyor ve dönüşüyle \u200b\u200bonu büküyor! Bu fenomenlere sırasıyla jeodezik presesyon ve gravitomanyetik etki denir.

Jeodezik Presesyon nedir? Gezegenimizin yörüngesi boyunca, yüzeyinde (sıfır yerçekiminde) bir tepesinin yüksek hızda döndüğü bir nesnenin hareket ettiğini hayal edin. Ekseni, yılda 6,6 ark saniye hızında hareket yönünde sapacaktır. Dünya, çevreleyen uzay-zamanı kütlesiyle bükerek içinde bir çentik yaratır.

Gravitomanyetik etki (Lense-Thirring etkisi), kalın baldaki bir çubuğun dönüşünün iyi bir örneğidir: viskoz bir tatlı kütle boyunca taşarak spiral bir girdap oluşturur. Böylece Dünya, kendi ekseni olan "bal" uzay-zaman etrafında dönerek döner. Ve bu yine, Dünya'nın dönüş yönünde yılda mikroskobik 0,04 ark saniyelik sapma gösteren tepenin ekseni tarafından sabitlenir.

Gezegenimiz yerçekimi ile zamanı ve mekanı etkiler. Amerikalılar Yerçekimi Sondası-B uydusunu fırlatana kadar uzun bir süre bu ifade Einstein ve takipçilerinin hipotezi olarak kaldı. Cihaz, Dünya'nın kutup yörüngesinde döndü ve dünyanın en doğru jiroskopları ile donatıldı - karmaşık üst kısım analogları. Bu teknik şaheserlerin karmaşıklığı, jiroskopların bilyelerindeki düzensizliklerin iki veya üç atomu geçmemesiyle kanıtlanmıştır. Bu minyatür küreleri Dünya'nın büyüklüğüne büyütürseniz, en büyük düzensizliğin yüksekliği üç metreyi geçmeyecektir! Uzay-zamanın eğriliğini deneysel olarak belirlemek için bu tür numaralara ihtiyaç vardı. Ve yörüngede 17 aylık çalışmadan sonra, ekipman aynı anda dört süper jiroskopun dönme eksenlerinin yer değiştirmesini kaydetti!

Yerçekimi Sondası-B deneyi sırasında, Genel Göreliliğin iki etkisi kanıtlandı: uzay-zamanın eğriliği (jeodezik devinim) ve büyük kütlelerin yakınında ek ivmenin ortaya çıkması (gravitomanyetik etki)

Yerçekiminin bir dizi başka, çok daha belirgin etkileri vardır. Örneğin vücudumuzda yer çekimine uyum sağlamayacak tek bir organ yoktur.

Bu nedenle, bir kişinin uzun süre ağırlıksız durumda olması çok sıradışı ve hatta tehlikelidir: kan, beyin damarlarına ve kemiklere aşırı baskı uygulayacak şekilde vücutta yeniden dağıtılır, zamanla kalsiyum tuzlarını emmeyi reddedin ve sazlık gibi kırılgan hale gelir. Bir kişi yalnızca sürekli fiziksel eforla ağırlıksızlığın etkilerinden kendisini kısmen koruyabilir.

Ay'ın yerçekimi alanı Dünya'yı ve sakinlerini etkiler - herkes gelgiti ve akışı bilir. Merkezkaç kuvveti nedeniyle, Ay bizden yılda 4 cm uzaklaşıyor ve gelgitlerin yoğunluğu amansız bir şekilde azalıyor. Tarih öncesi dönemde, Ay Dünya'ya çok daha yakındı ve buna göre gelgitler önemliydi. Belki de karada yaşayan organizmaların ortaya çıkışını önceden belirleyen ana faktör buydu.

Yerçekiminden hangi parçacığın sorumlu olduğunu hala bilmiyor olsak da, onu ölçebiliriz! Bunun için özel bir cihaz kullanılıyor - gravimetreJeologların aktif olarak mineral aramak için çalıştıkları.

Dünya yüzeyinin kalınlığında kayaların farklı yoğunlukları vardır ve bu nedenle yerçekimi kuvvetleri farklı olacaktır. Bu, hafif hidrokarbon (petrol ve gaz) birikintilerinin yanı sıra yoğun metal cevheri kayalarını tanımlamak için kullanılabilir. Çekme kuvveti, bilinen bir kütleye sahip bir cismin serbest düşme hızındaki en ufak değişiklikler veya bir sarkaç darbesi kaydedilerek ölçülür. Bunun için, özel bir ölçü birimi bile tanıttılar - onuruna Gal (Gal) Galileo GalileiTarihte serbestçe düşen bir cismin yolunu ölçerek yerçekimi kuvvetini belirleyen ilk kişi oldu.

Dünya'nın uzaydan gelen yerçekimi kuvvetinin uzun süreli çalışmaları, gezegenimizin yerçekimi anormalliklerinin bir haritasını çıkarmayı mümkün kıldı. Ayrı bir kara parçasındaki yerçekimi kuvvetindeki keskin bir artış, bir depremin veya volkanik patlamanın habercisi olabilir.

Temel etkileşimlerin incelenmesi hala sadece ivme kazanıyor. Kesin olarak sadece dört kuvvet olduğu söylenemez - beş veya on olabilir. Bilim adamları tüm etkileşimleri bir modelin "çatısı" altında toplamaya çalışıyorlar, ama ah, onun yaratılışından ne kadar uzakta. Ve varsayımsal graviton, ana çekim merkezi haline gelir. Şüpheciler, yoğunluğu çok düşük olduğu için bir kişinin bu kuantumu asla düzeltemeyeceğini savunuyor, ancak iyimserler, teknolojilerin ve fizik yöntemlerinin geleceğine inanıyor. Bekle ve gör.

Temel etkileşimler

Doğada, özellikleri ve gelişimi maddi nesnelerin etkileşimi, yani karşılıklı eylemle açıklanan çok çeşitli doğal sistemler ve yapılar vardır. Kesinlikle etkileşim, maddenin hareketinin ana nedenidir ve kökenlerine ve sistemik organizasyonlarına bakılmaksızın tüm maddi nesnelerin karakteristiğidir.. Etkileşim, hareket gibi evrenseldir. Etkileşen nesneler enerji ve momentum alışverişi yapar (bunlar hareketlerinin temel özellikleridir). Klasik fizikte etkileşim, bir maddi nesnenin diğerine etki ettiği kuvvet tarafından belirlenir. Uzun süredir paradigma uzun menzilli eylem kavramı - birbirinden çok uzakta bulunan maddi nesnelerin etkileşimi ve anında boş alandan iletilir... Şu anda, başka bir deneysel olarak onaylandı - kısa menzilli eylem kavramı - etkileşim, bir vakumda ışık hızını aşmayan sonlu bir hıza sahip fiziksel alanlar kullanılarak iletilir. Fiziksel alan, maddi nesnelerin ve sistemlerinin etkileşimini sağlayan özel bir madde türüdür (aşağıdaki alanlar: elektromanyetik, yerçekimi, nükleer kuvvetler alanı - zayıf ve güçlü). Fiziksel alanın kaynağı temel parçacıklardır (elektromanyetik yüklü parçacıklar), kuantum teorisinde etkileşim, parçacıklar arasındaki alanın kuantum değişiminden kaynaklanmaktadır.

Doğada dört temel etkileşim vardır: çevreleyen dünyanın yapısını belirleyen güçlü, elektromanyetik, zayıf ve yerçekimi.

Güçlü etkileşim (nükleer etkileşim) - atom çekirdeğinin (protonlar ve nötronlar) kurucu parçalarının karşılıklı çekiciliği ve gluonlar tarafından iletilen yaklaşık 10-13 cm'lik bir mesafede hareket eder. Elektromanyetik etkileşim açısından proton ve nötron farklı parçacıklardır, çünkü proton elektriksel olarak yüklüdür ve nötron değildir. Ancak güçlü etkileşim açısından bakıldığında, bu parçacıklar ayırt edilemez çünkü kararlı bir durumda bir nötron kararsız bir parçacıktır ve bir protona, bir elektrona ve bir nötrinoya dönüşür, ancak çekirdeğin çerçevesi içinde benzer hale gelir. özellikleri bir protona, dolayısıyla "nükleon (lat. çekirdek - çekirdek) "ve nötronlu bir proton, nükleonun iki farklı hali olarak kabul edilmeye başlandı. Çekirdekteki nükleonların etkileşimi ne kadar güçlüyse, çekirdek o kadar kararlı, özgül bağlanma enerjisi o kadar yüksek olur.

Kararlı bir maddede, çok yüksek sıcaklıklarda protonlar ve nötronlar arasındaki etkileşim artar, ancak çekirdeklerin veya parçalarının (yüksek enerjili nükleonlar) bir çarpışması meydana gelirse, o zaman büyük enerjinin salınmasıyla birlikte nükleer reaksiyonlar meydana gelir.

Belirli koşullar altında, güçlü etkileşim parçacıkları atomik çekirdek - yüksek bağlanma enerjili malzeme sistemlerine çok güçlü bir şekilde bağlar. Bu nedenle atomların çekirdekleri çok kararlıdır ve yok edilmesi zordur.

Güçlü etkileşimler olmasaydı atom çekirdeği olmazdı ve yıldızlar ve Güneş nükleer enerji nedeniyle ısı ve ışık üretemezdi.

Elektromanyetik etkileşim elektrik ve manyetik alanlarla iletilir. Elektrik yüklerinin varlığında bir elektrik alan ve hareket ettiklerinde bir manyetik alan ortaya çıkar. Değişen bir elektrik alanı, alternatif bir manyetik alan oluşturur - bu, alternatif bir manyetik alanın kaynağıdır. Bu tür bir etkileşim, elektrik yüklü parçacıkların özelliğidir. Elektromanyetik etkileşimin taşıyıcısı, elektromanyetik alanın bir kuantumu olan yüksüz bir fotondur. Elektromanyetik etkileşim sürecinde, elektronlar ve atom çekirdeği atomlarda, atomlar moleküllerde birleşir. Bir anlamda, bu etkileşim kimya ve biyolojide temeldir.

Etrafımızdaki dünya hakkındaki bilgilerin yaklaşık% 90'ını elektromanyetik bir dalga aracılığıyla alıyoruz, çünkü maddenin çeşitli kümelenme durumları, sürtünme, esneklik vb. doğası gereği elektromanyetik olan moleküller arası etkileşim kuvvetleri tarafından belirlenir. Elektromanyetik etkileşimler Coulomb, Ampere ve Maxwell'in elektromanyetik teorisinin yasaları ile tanımlanır.

Elektromanyetik etkileşim, çeşitli elektrikli cihazların, radyoların, televizyonların, bilgisayarların vb.Yaratılmasının temelidir. Güçlü olandan yaklaşık bin kat daha zayıf, ancak çok daha uzun menzilli.

Olmadan elektromanyetik etkileşimler atomlar, moleküller, makro nesneler, ısı ve ışık olmayacaktı.

3. Zayıf etkileşim belki farklı parçacıklar arasında, bir foton hariç, kısa menzilli olup, atom çekirdeğinin boyutundan daha küçük mesafelerde ortaya çıkar 10-15-10-22 cm.Zayıf bir etkileşim, güçlü olandan daha zayıftır ve zayıf etkileşim, güçlü bir etkileşimden daha yavaş ilerler. Kararsız parçacıkların bozulmasından sorumludur (örneğin, bir nötronun bir protona, elektrona, antinötrinoya dönüşümü). Bu etkileşim nedeniyle çoğu parçacık kararsızdır. Zayıf etkileşimin taşıyıcıları, proton ve nötron kütlesinden 100 kat daha büyük bir kütleye sahip parçacıklardır. Bu etkileşim nedeniyle Güneş parlar (bir proton bir nötron, pozitron, nötrinoya dönüşür, yayılan nötrino muazzam bir nüfuz etme kabiliyetine sahiptir).

Zayıf etkileşimler olmadan, Güneş'in ve yıldızların içindeki nükleer reaksiyonlar mümkün olmazdı ve yeni yıldızlar ortaya çıkmazdı.

4. Yerçekimi etkileşimi en zayıf olan, temel parçacıklar teorisinde dikkate alınmaz, çünkü karakteristik mesafelerinde (10-13 cm) etkiler küçüktür ve ultra küçük mesafelerde (10-33 cm) ve ultra yüksek enerjilerde, yerçekimi önemli hale gelir ve fiziksel vakumun olağandışı özellikleri ortaya çıkmaya başlar ...

Yerçekimi (Lat. Gravitas'tan - "yerçekimi") - temel etkileşim uzun menzilli (bu, uzayda herhangi bir noktada, kütlesel cisim ne kadar hareket ederse etsin, yerçekimi potansiyelinin yalnızca vücudun belirli bir zamandaki konumuna bağlı olduğu anlamına gelir ) ve tüm maddi bedenler buna tabidir ... Temel olarak, yerçekimi kozmik ölçekte, Megaworld üzerinde belirleyici bir rol oynar.

Klasik mekanik çerçevesinde yerçekimi etkileşimi tanımlanmıştır. yerçekimi kanunu Newton, iki malzeme kütle noktası arasındaki yerçekimi kuvvetinin m 1 ve m 2 mesafe ile ayrılmış R, var

Nerede G - yerçekimi sabiti.

Kütleçekimsel etkileşimler olmadan galaksiler, yıldızlar, gezegenler, Evrenin evrimi yoktu.

Temel parçacıkların dönüşümünün gerçekleştiği süre, etkileşimin gücüne bağlıdır (güçlü bir etkileşimle, nükleer reaksiyonlar 10-24-10-23 s., Elektromanyetik bir ile - değişiklikler 10 içinde gerçekleştirilir - 19-10-21 sn., 10-10 sn. İçinde zayıf parçalanma ile).

Tüm etkileşimler, bilim adamlarına göre bir kişinin elde edebileceği karmaşık ve çeşitli bir maddi dünya inşa etmek için gerekli ve yeterlidir. süper güç (çok yüksek sıcaklıklarda veya enerjilerde, dört etkileşimin tümü birleşerek bir şey).