Основні сили всесвіту. Фундаментальні сили 4 фундаментальні сили

У природі існує багато різних видів сил: тяжіння, тяжкості, Лоренца, Ампера, взаємодії нерухомих зарядів і т.д., але всі вони в кінцевому підсумку зводяться до невеликого числа фундаментальних (основних) взаємодій. Сучасна фізика вважає, що існує в природі лише чотири види сил або чотири види взаємодій:

1) гравітаційна взаємодія (здійснюється через гравітаційні поля);

2) електромагнітне взаємодія (здійснюється через електромагнітні поля);

3) ядерне (або сильне) (забезпечує зв'язок частинок в ядрі);

4) слабке (відповідає за процеси розпаду елементарних частинок).

В рамках класичної механіки мають справу з гравітаційними і електромагнітними силами, а також з пружними силами і силами тертя.

1. Сила всесвітнього тяжіння. Це сила, з якою два матеріальних тіла притягуються одне до одного. Сила тяжіння залежить від відстані і для двох матеріальних точок з масами т 1і т 2знаходяться на відстані rодин від одного, виражається рівністю

F \u003d G m 1 m 2 / r 2, (3)

де G- гравітаційна постійна (в СІ G\u003d 6,673 10 -11 м 3 / кг з 2).

2. Сила тяжіння. Це постійна сила , діюча на будь-яке тіло, що знаходиться поблизу земної поверхні. Ясно, що дана сила є окремим випадком сили всесвітнього тяжіння, тому

F Т \u003d G mМ / R 2,(4)

де m - маса тіла, М і R- маса і радіус Землі. величина

g \u003d G М / R 2

називається прискоренням вільного падіння. тоді

F T \u003d mg. (5)

Сила тяжіння, як і величина g,змінюються зі зміною широти і висоти над рівнем моря, маса ж є для даного тіла величиною незмінною. При вирішенні більшості завдань вважають g \u003d9,8 м / с 2.

Для експериментального визначення маси даного тіла можна виходити з рівності (1), куди маса входить як міра інертності і називається, тому інертною масою. Однак можна виходити і з рівності (4), куди маса входить як міра гравітаційних властивостей тіла і називається відповідно гравітаційної масою. В принципі ні звідки не випливає, що інертна і гравітаційна маси являють собою одну й ту ж величину. Однак цілу низку експериментів встановлено, що значення обох мас збігаються з дуже високим ступенем точності. Тому в механіці користуються єдиним терміном «маса», визначаючи масу як кількісну міру інертності тіла і його гравітаційних властивостей.

3. Вага тіла. це сила P, З якої тіло діє на опору або підвіс. Не слід плутати вагу тіла і силу тяжіння, так як вони прикладені до різних тіл. Крім того, P \u003d F T \u003d mgтільки в стані спокою або прямолінійного рівномірного руху. При вирішенні завдань Р,як правило, знаходиться за третім законом Ньютона.

4. сила пружності.

Ця сила виникає в результаті взаємодії тіл, що супроводжується їх деформацією. Вона пропорційна величині деформації і спрямована проти деформації.

Зокрема, для сили пружності пружини

F \u003d k , (7)

де подовження (або стискування) пружини, k -коефіцієнт жорсткості пружини (в СІ вимірюється в Н / м).

Сила реакції опори.Направлена \u200b\u200bпо загальній нормалі до поверхонь дотичних тіл в точці їх дотику і прикладена в цій точці (рис. 6а). Коли одна з дотичних поверхонь є точкою (рис. 6, б), то реакція спрямована по нормалі до іншої поверхні.

рис.6 Рис.7

Сила натягу нитки . направлена \u200b\u200bуздовж нитки до точки її підвісу(Рис.7).

5. Сила тертя. Так коротко називають силу тертя ковзання, діючу (при відсутності рідкого змащування) на рухоме тіло. Її модуль визначається рівністю

де µ - коефіцієнт тертя, який частіше вважають постійним. N- нормальна реакція. Спрямована проти руху.

6. Сила тертя спокою - це сила, що діє між дотичними тілами, що знаходяться в стані спокою, що дорівнює за величиною і протилежно спрямована силі, яке спонукає тіло до руху.

До виникнення ковзання сила тертя спокою може мати будь-який напрямок і приймати будь-яке значення від нуля до деякого максимального, при якому виникає ковзання: .

Силу тертя спокою, рівну по модулю зовнішній силі, при якій починається ковзання даного тіла по поверхні іншого, називають максимальною силою тертя спокою.

Французькі фізики Г.Амонтон і Ш.Кулон встановили, що: максимальна сила тертя спокою пропорційна силі реакції опори (нормального тиску) і не залежить від площі зіткнення тіл, що труться

де m 0 - коефіцієнт тертя спокою, залежить від фізичної природи дотичних тіл і

7. Сила тертя кочення. При коченні тіла по поверхні іншого виникає особлива сила - сила тертя кочення, яка перешкоджає коченню тіла. Сила терня кочення при тих же матеріалах дотичних тіл завжди менше сили терня ковзання. Цим користуються на практиці, замінюючи підшипники ковзання кульковими або роликовими підшипниками. Кулон досвідченим шляхом встановив для котиться циліндра радіуса R:, де m К - коефіцієнт тертя кочення, величина якого зменшується зі збільшенням твердості матеріалу і шорсткості його поверхні. Для котиться обода.

8. Сила в'язкого тертя. Така сила, що залежить від швидкості, діє на тіло при його повільному русі в дуже в'язкому середовищі (або при наявності рідкої мастила) і може бути виражена рівністю

R \u003d,(8)

де υ - швидкість тіла, - коефіцієнт опору.

9. сила аеродинамічного (Гідродинамічного) опору. Ця сила також залежить від швидкості і діє на тіло, що рухається в такій, наприклад, середовищі, як повітря або вода. Зазвичай її величину виражають рівністю

R \u003d 0,5c x Sυ 2,

де - щільність середовища; S- площа проекції тіла на площину, перпендикулярну напрямку руху (площа миделя), з х- безрозмірний коефіцієнт опору, який визначається зазвичай експериментально і залежить від форми тіла і від того, як ця дія спрямована на своєму шляху.

Пружні сили і сили тертя визначаються характером взаємодії між молекулами речовини, яке має електромагнітне походження. Отже, вони за своєю природою мають електромагнітні походження. Гравітаційні й електромагнітні сили є фундаментальними - їх не можна звести до інших, більш простим силам. Пружні сили і сили тертя не є фундаментальними.

2.3. Перетворення Галілея.

Сучасні досягнення фізики високих енергій все більше зміцнюють уявлення, що різноманіття властивостей Природи обумовлено взаємодіючими елементарними частинками. Дати неформальне визначення елементарної частинки, мабуть, неможливо, оскільки мова йде про самих первинних елементах матерії. На якісному рівні можна говорити, що істинно елементарними частинками називаються фізичні об'єкти, які не мають складових частин.
Очевидно, що питання про елементарності фізичних об'єктів - це в першу чергу питання експериментальний. Наприклад, експериментально встановлено, що молекули, атоми, атомні ядра мають внутрішню структуру, яка вказує на наявність складових частин. Тому їх не можна вважати елементарними частинками. Порівняно недавно відкрито, що такі частинки, як мезони і баріони, також мають внутрішню структуру і, отже, не є елементарними. У той же час у електрона внутрішня структура ніколи не спостерігалася, і, отже, його можна віднести до елементарних частинок. Іншим прикладом елементарної частинки є квант світла - фотон.
Сучасні експериментальні дані свідчать, що існує тільки чотири якісно різних види взаємодій, в яких беруть участь елементарні частинки. Ці взаємодії називаються фундаментальними, тобто самими основними, вихідними, первинними. Якщо взяти до уваги все різноманіття властивостей навколишнього нас Миру, то здається цілком дивним, що в Природі є тільки чотири фундаментальні взаємодії, відповідальних за все явища Природи.
Крім якісних відмінностей, фундаментальні взаємодії відрізняються в кількісному відношенні за силою впливу, яка характеризується терміном інтенсивність. У міру збільшення інтенсивності фундаментальні взаємодії розташовуються в наступному порядку: гравітаційне, слабке, електромагнітне і сильне. Кожне з цих взаємодій характеризується відповідним параметром, званим константою зв'язку, чисельне значення якого визначає інтенсивність взаємодії.
Яким чином фізичні об'єкти здійснюють фундаментальні взаємодії між собою? На якісному рівні відповідь на це питання виглядає наступним чином. Фундаментальні взаємодії переносяться квантами. При цьому в квантової області фундаментальних взаємодій відповідають відповідні елементарні частинки, звані елементарними частинками - переносниками взаємодій. В процесі взаємодії фізичний об'єкт випускає частки - переносники взаємодії, які поглинаються іншим фізичним об'єктом. Це веде до того, що об'єкти як би відчувають один одного, їх енергія, характер руху, стан змінюються, тобто вони відчувають взаємний вплив.
У сучасній фізиці високих енергій все більшого значення набуває ідея об'єднання фундаментальних взаємодій. Згідно з ідеями об'єднання, в Природі існує тільки одне єдине фундаментальне взаємодія, що проявляє себе в конкретних ситуаціях як гравітаційне, або як слабке, або як електромагнітне, або як сильне, або як їх деяка комбінація. Успішною реалізацією ідей об'єднання послужило створення стала вже стандартною об'єднаної теорії електромагнітних і слабких взаємодій. Йде робота з розвитку єдиної теорії електромагнітних, слабких і сильних взаємодій, що отримала назву теорії великого об'єднання. Робляться спроби знайти принцип об'єднання всіх чотирьох фундаментальних взаємодій. Ми послідовно розглянемо основні прояви фундаментальних взаємодій.

гравітаційна взаємодія

Ця взаємодія носить універсальний характер, в ньому беруть участь всі види матерії, всі об'єкти природи, все елементарні частинки! Загальноприйнятою класичної (НЕ квантової) теорією гравітаційної взаємодії є ейнштейнівська загальна теорія відносності. Гравітація визначає рух планет в зоряних системах, грає важливу роль в процесах, що протікають в зірках, управляє еволюцією Всесвіту, в земних умовах проявляє себе як сила взаємного тяжіння. Звичайно, ми перерахували тільки невелике число прикладів з величезного списку ефектів гравітації.
Відповідно до загальної теорії відносності, гравітація пов'язана з кривизною простору-часу і описується в термінах так званої ріманової геометрії. В даний час все експериментальні та спостережні дані про гравітації укладаються в рамки загальної теорії відносності. Однак дані про сильні гравітаційних полях по суті відсутні, тому експериментальні аспекти цієї теорії містять багато питань. Така ситуація породжує появу різних альтернативних теорій гравітації, передбачення яких практично не відрізняються від прогнозів загальної теорії відносності для фізичних ефектів в Сонячній системі, але ведуть до інших наслідків в сильних гравітаційних полях.
Якщо знехтувати всіма релятивістськими ефектами і обмежитися слабкими стаціонарними гравітаційними полями, то загальна теорія відносності зводиться до ньютонівської теорії всесвітнього тяжіння. У цьому випадку, як відомо, потенційна енергія взаємодії двох точкових частинок з масами m 1 і m 2 дається співвідношенням

де r - відстань між частинками, G - ньютонівська гравітаційна стала, яка відіграє роль константи гравітаційної взаємодії. Дане співвідношення показує, що потенційна енергія взаємодії V (r) відмінна від нуля при будь-якому кінцевому r і спадає до нуля дуже повільно. З цієї причини говорять, що гравітаційна взаємодія є дальнодействием.
З багатьох фізичних прогнозів загальної теорії відносності відзначимо три. Теоретично встановлено, що гравітаційні збурення можуть поширюватися в просторі у вигляді хвиль, званих гравітаційними. Поширюються слабкі гравітаційні збурення в чому аналогічні електромагнітних хвиль. Їх швидкість дорівнює швидкості світла, вони мають два стани поляризації, для них характерні явища інтерференції і дифракції. Однак в силу надзвичайно слабкої взаємодії гравітаційних хвиль з речовиною їх пряме експериментальне спостереження досі не було можливо. Проте дані деяких астрономічних спостережень за втрати енергії в системах подвійних зірок свідчать про можливе існування гравітаційних хвиль в природі.
Теоретичне дослідження умов рівноваги зірок в рамках загальної теорії відносності показує, що при певних умовах досить масивні зірки можуть почати катастрофічно стискатися. Це виявляється можливим на досить пізніх стадіях еволюції зірки, коли внутрішній тиск, обумовлене процесами, відповідальними за світність зірки, не в змозі зрівноважити тиск сил тяжіння, які прагнуть стиснути зірку. В результаті процес стиснення вже нічим не може бути зупинений. Описане фізичне явище, передбачене теоретично в рамках загальної теорії відносності, отримало назву гравітаційного колапсу. Дослідження показали, що якщо радіус зірки стає менше так званого гравітаційного радіуса

R g \u003d 2GM / c 2,

де M - маса зірки, а c - швидкість світла, то для зовнішнього спостерігача зірка гасне. Ніяка інформація про процеси, що йдуть в цій зірці, не може досягти зовнішнього спостерігача. При цьому тіла, падаючі на зірку, вільно перетинають гравітаційний радіус. Якщо в якості такого тіла мається на увазі спостерігач, то нічого, крім посилення гравітації, він не помітить. Таким чином, виникає область простору, в яку можна потрапити, але з якої нічого не може вийти, включаючи світловий промінь. Подібна область простору називається чорною дірою. Існування чорних дір є одним з теоретичних передбачень загальної теорії відносності, деякі альтернативні теорії гравітації побудовані саме так, що вони забороняють такого типу явища. У зв'язку з цим питання про реальність чорних дір має виключно важливе значення. В даний час є дані спостережень, які свідчать про наявність чорних дір у Всесвіті.
В рамках загальної теорії відносності вперше вдалося сформулювати проблему еволюції Всесвіту. Тим самим Всесвіт в цілому стає предметом спекулятивних міркувань, а об'єктом фізичної науки. Розділ фізики, предметом якого є Всесвіт в цілому, називається космологією. В даний час вважається твердо встановленим, що ми живемо у Всесвіті.
Сучасна картина еволюції Всесвіту грунтується на уявленні про те, що Всесвіт, включаючи такі її атрибути, як простір і час, виникла в результаті особливого фізичного явища, званого Великий Вибух, і з тих пір розширюється. Відповідно до теорії еволюції Всесвіту, відстані між далекими галактиками повинні збільшуватися з часом, і весь Всесвіт повинна бути заповнена тепловим випромінюванням з температурою близько 3 K. Ці передбачення теорії знаходяться в прекрасному Відповідно до даних астрономічних спостережень. При цьому оцінки показують, що вік Всесвіту, тобто час, що минув з моменту Великого Вибуху, становить близько 10 млрд років. Що стосується деталей Великого Вибуху, то це явище слабо вивчено і можна говорити про загадку Великого Вибуху як про виклик фізичної науці в цілому. Не виключено, що пояснення механізму Великого Вибуху пов'язано з новими, поки що невідомими законами Природи. Загальноприйнятий сучасний погляд на можливе рішення проблеми Великого Вибуху ґрунтується на ідеї об'єднання теорії гравітації і квантової механіки.

Поняття про квантової гравітації

Чи можна взагалі говорити про квантові проявах гравітаційної взаємодії? Як прийнято вважати, принципи квантової механіки носять універсальний характер і застосовні до будь-якого фізичного об'єкту. У цьому сенсі гравітаційне поле не представляє виключення. Теоретичні дослідження показують, що на квантовому рівні гравітаційна взаємодія переноситься елементарною частинкою, званої гравітон. Можна відзначити, що гравітон є безмассового бозоном зі спіном 2. Гравітаційна взаємодія між частинками, обумовлене обміном Гравітоном, умовно зображується наступним чином:

Частка випускає гравітон, в силу чого стан її руху змінюється. Інша частка поглинає гравітон і також змінює стан свого руху. В результаті виникає вплив часток один на одного.
Як ми вже відзначали, константою зв'язку, що характеризує гравітаційна взаємодія, є ньютоновская константа G. Добре відомо, що G - розмірна величина. Очевидно, що для оцінки інтенсивності взаємодії зручно мати безрозмірну константу зв'язку. Щоб отримати таку константу, можна використовувати фундаментальніпостійні: (постійна Планка) і c (швидкість світла) - і ввести якусь еталонну масу, наприклад масу протона m p. Тоді безрозмірна константа зв'язку гравітаційної взаємодії буде

Gm p 2 / (c) ~ 6 · 10 -39,

що, звичайно, є дуже малою величиною.
Цікаво відзначити, що з фундаментальних постійних G,, c можна побудувати величини, які мають розмірність довжини, часу, щільності, маси, енергії. Ці величини називаються Планка. Зокрема, Планка довжина l Pl і час планка t Pl виглядають наступним чином:

Кожна фундаментальна фізична константа характеризує певне коло фізичних явищ: G - гравітаційні явища, - квантові, c - релятивістські. Тому якщо в якийсь співвідношення входять одночасно G,, c, то це означає, що дане співвідношення описує явище, яке одночасно є гравітаційним, квантовим і релятивістським. Таким чином, існування планківських величин вказує на можливе існування відповідних явищ в Природі.
Звичайно, чисельні значення l Pl і t Pl дуже малі в порівнянні з характерними значеннями величин в макросвіті. Але це означає тільки те, що квантовогравітаціонние ефекти слабо проявляють себе. Вони могли бути істотні лише тоді, коли характерні параметри стали б порівнянними з Планка величинами.
Відмінною рисою явищ мікросвіту є та обставина, що фізичні величини виявляються схильними до так званим квантовим флуктуацій. Це означає, що при багаторазових вимірах фізичної величини в певному стані принципово повинні виходити різні чисельні значення, обумовлені неконтрольованим взаємодією приладу зі спостережуваним об'єктом. Згадаймо, що гравітація пов'язана з проявом кривизни простору-часу, тобто з геометрією простору-часу. Тому слід очікувати, що на часи порядку t Pl і відстанях порядку l Pl геометрія простору-часу повинна стати квантовим об'єктом, геометричні характеристики повинні відчувати квантові флуктуації. Іншими словами, на планківських масштабах немає ніякої фіксованої просторово-часової геометрії, образно кажучи, простір-час являє собою вируючу піну.
Послідовна квантова теорія гравітації не побудована. В силу надзвичайно малих значень l Pl, t Pl слід очікувати, що в будь-якому доступному для огляду майбутньому не вдасться поставити експерименти, в яких проявили б себе квантовогравітаціонние ефекти. Тому теоретичне дослідження питань квантової гравітації залишається єдиною можливістю просування вперед. Чи є, однак, явища, де квантова гравітація могла б виявитися суттєвою? Так, є, і ми про них вже говорили. Це гравітаційний колапс і Великий Вибух. Відповідно до класичної теорії гравітації, об'єкт, схильний до гравітаційному колапсу, повинен стискатися до як завгодно малих розмірів. Це означає, що його розміри можуть стати порівнянними з l Pl, де класична теорія вже непридатна. Точно так же в процесі Великого Вибуху вік Всесвіту був порівнянний з t Pl і вона мала розміри порядку l Pl. Це означає, що розуміння фізики Великого Вибуху неможливо в рамках класичної теорії. Таким чином, опис кінцевої стадії гравітаційного колапсу і початкової стадії еволюції Всесвіту може бути здійснено тільки з залученням квантової теорії гравітації.

слабка взаємодія

Ця взаємодія є найбільш слабким з фундаментальних взаємодій, експериментально спостережуваних в розпаді елементарних частинок, де принципово суттєвими є квантові ефекти. Нагадаємо, що квантові прояви гравітаційної взаємодії ніколи не спостерігалися. Слабка взаємодія виділяється за допомогою наступного правила: якщо в процесі взаємодії бере участь елементарна частинка, яка називається нейтрино (або антинейтрино), то дана взаємодія є слабким.

Типовий приклад слабкої взаємодії - це бета-розпад нейтрона

N p + e - + e,

де n - нейтрон, p - протон, e - - електрон, e - електронне антинейтрино. Слід, однак, мати на увазі, що вказане вище правило зовсім не означає, що будь-який акт слабкої взаємодії зобов'язаний супроводжуватися нейтрино або антинейтрино. Відомо, що має місце велике число безнейтринного розпадів. Як приклад можна відзначити процес розпаду лямбда-гіперонів на протон p і негативно заряджений піон π -. За сучасними уявленнями нейтрон і протон не є істинно елементарними частинками, а складаються з елементарних частинок, званих кварками.
Інтенсивність слабкої взаємодії характеризується константою зв'язку Фермі G F. Константа G F розмірності. Щоб утворити безрозмірну величину, необхідно використовувати якусь еталонну масу, наприклад масу протона m p. Тоді безрозмірна константа зв'язку буде

G F m p 2 ~ 10 -5.

Видно, що слабка взаємодія набагато інтенсивніше гравітаційного.
Слабка взаємодія на відміну від гравітаційного є короткодействующим. Це означає, що слабка взаємодія між частинками починає діяти, тільки якщо частинки знаходяться досить близько один до одного. Якщо ж відстань між частинками перевершує деяку величину, звану характерним радіусом взаємодії, слабка взаємодія не проявляє себе. Експериментально встановлено, що характерний радіус слабкої взаємодії близько 10 -15 см, тобто слабка взаємодія, зосереджений на відстанях менше розмірів атомного ядра.
Чому можна говорити про слабку взаємодію як про незалежну вигляді фундаментальних взаємодій? Відповідь проста. Встановлено, що є процеси перетворень елементарних частинок, які не зводяться до гравітаційним, електромагнітним і сильних взаємодій. Хороший приклад, який показує, що існують три якісно різних взаємодії в ядерних явищах, пов'язаний з радіоактивністю. Експерименти вказують на наявність трьох різних видів радіоактивності: -, - і -радіоактивне розпадів. При цьому розпад обумовлений сильним взаємодією, розпад - електромагнітним. Що залишився розпад не може бути пояснений електромагнітним і сильним взаємодіями, і ми змушені прийняти, що є ще одна фундаментальна взаємодія, назване слабким. У загальному випадку необхідність введення слабкої взаємодії обумовлена \u200b\u200bтим, що в природі відбуваються процеси, в яких електромагнітні і сильні розпади заборонені законами збереження.
Хоча слабка взаємодія істотно зосереджено всередині ядра, воно має певні макроскопічні прояви. Як ми вже відзначали, воно пов'язане з процесом β-радіоактивності. Крім того, слабка взаємодія відіграє важливу роль в так званих термоядерних реакціях, відповідальних за механізм енерговиділення в зірках.
Дивовижним властивістю слабкої взаємодії є існування процесів, в яких проявляється дзеркальна асиметрія. На перший погляд здається очевидним, що різниця між поняттями ліве і праве умовна. Дійсно, процеси гравітаційного, електромагнітного і сильної взаємодії інваріантніщодо просторової інверсії, що здійснює дзеркальне відображення. Кажуть, що в таких процесах зберігається просторова парність P. Однак експериментально встановлено, що слабкі процеси можуть протікати з незбереження просторової парності і, отже, як би відчувають різницю між лівим і правим. В даний час є тверді експериментальні докази, що незбереження парності в слабких взаємодіях носить універсальний характер, воно виявляє себе не тільки в розпаді елементарних частинок, але і в ядерних і навіть атомних явищах. Слід визнати, що дзеркальна асиметрія являє собою властивість Природи на самому фундаментальному рівні.
Незбереження парності в слабких взаємодіях виглядало настільки незвичайним властивістю, що практично відразу після його відкриття теоретики вдавалася до спроб показати, що насправді існує повна симетрія між лівим і правим, тільки вона має більш глибокий зміст, ніж це раніше вважалося. Дзеркальне відображення має супроводжуватися заміною частинок на античастинки (Зарядове сполучення C), і тоді все фундаментальні взаємодії повинні бути симетричними. Однак пізніше було встановлено, що ця інваріантність не є універсальною. Існують слабкі розпади так званих довгоживучих нейтральних каонов на півонії π +, π -, заборонені, якби зазначена инвариантность реально мала місце. Таким чином, відмітною властивістю слабкої взаємодії є його CP-неінваріантни. Можливо, що це властивість відповідально за ту обставину, що речовина у Всесвіті значно превалює над антиречовиною, побудованим з античастинок. Світ і антисвіт несиметричні.
Питання про те, які частки є переносниками слабкої взаємодії, довгий час був неясний. Розуміння вдалося досягти порівняно недавно в рамках об'єднаної теорії електрослабкої взаємодії - теорії Вайнберга-Салама-Глешоу. В даний час загальноприйнято, що переносниками слабкої взаємодії є так звані W ± - і Z 0 -бозони. Це заряджені W ± і нейтральна Z 0 елементарні частинки зі спіном 1 і масами, рівними по порядку величини 100 m p.

електромагнітна взаємодія

В електромагнітній взаємодії беруть участь всі заряджені тіла, все заряджені елементарні частинки. У цьому сенсі воно досить універсально. Класичною теорією електромагнітного взаємодії є максвеллівська електродинаміка. Як константи зв'язку приймається заряд електрона e.
Якщо розглянути два покояться точкових заряди q 1 і q 2, то їх електромагнітне взаємодія зведеться до відомої електростатичної силі. Це означає, що взаємодія є дальнодействием і повільно спадає з ростом відстані між зарядами.
Класичні прояви електромагнітної взаємодії добре відомі, і ми не будемо на них зупинятися. З точки зору квантової теорії переносником електромагнітної взаємодії є елементарна частинка фотон - безмассовий бозон зі спіном 1. Квантовий електромагнітне взаємодія між зарядами умовно зображується наступним чином:

Заряджена частинка випускає фотон, в силу чого стан її руху змінюється. Інша частка поглинає цей фотон і також змінює стан свого руху. В результаті частинки як би відчувають наявність один одного. Добре відомо, що електричний заряд є розмірної величиною. Зручно ввести безрозмірну константу зв'язку електромагнітної взаємодії. Для цього треба використовувати фундаментальні постійні і c. В результаті приходимо до наступної безрозмірною константі зв'язку, званої в атомній фізиці постійної тонкої структури α \u003d e 2 / c ≈1 / 137.

Легко помітити, що дана константа значно перевищує константи гравітаційного і слабкої взаємодій.
З сучасної точки зору електромагнітне і слабке взаємодії представляють собою різні сторони єдиного електрослабкої взаємодії. Створена об'єднана теорія електрослабкої взаємодії - теорія Вайнберга-Салама-Глешоу, що пояснює з єдиних позицій всі аспекти електромагнітних і слабких взаємодій. Чи можна зрозуміти на якісному рівні, як відбувається поділ об'єднаного взаємодії на окремі, як би незалежні взаємодії?
Поки характерні енергії досить малі, електромагнітне і слабке взаємодії відокремлені і не впливають один на одного. З ростом енергії починається їх взаємовплив, і при досить високих енергіях ці взаємодії зливаються в єдине електрослабкої взаємодія. Характерна енергія об'єднання оцінюється по порядку величини як 10 2 ГеВ (ГеВ - це скорочене від гігаелектрон-вольт, 1 ГеВ \u003d 10 9 еВ, 1 еВ \u003d 1.6 · 10 -12 ерг \u003d 1.6 · 10 19 Дж). Для порівняння зазначимо, що характерна енергія електрона в основному стані атома водню близько 10 -8 ГеВ, характерна енергія зв'язку атомного ядра близько 10 -2 ГеВ, характерна енергія зв'язку твердого тіла близько 10 -10 ГеВ. Таким чином, характерна енергія об'єднання електромагнітних і слабких взаємодій величезна в порівнянні з характерними енергіями в атомній і ядерній фізиці. З цієї причини електромагнітне і слабке взаємодії не виявляють в звичайних фізичних явищах своєї єдиної сутності.

сильна взаємодія

Сильна взаємодія відповідально за стійкість атомних ядер. Оскільки атомні ядра більшості хімічних елементів стабільні, то ясно, що взаємодія, яке утримує їх від розпаду, має бути достатньо сильним. Добре відомо, що ядра складаються з протонів і нейтронів. Щоб позитивно заряджені протони НЕ розлетілися в різні боки, необхідна наявність сил тяжіння між ними, що перевершують сили електростатичного відштовхування. Саме сильна взаємодія є відповідальним за ці сили тяжіння.
Характерною рисою сильної взаємодії є його зарядова незалежність. Ядерні сили тяжіння між протонами, між нейтронами і між протоном і нейтроном по суті однакові. Звідси випливає, що з точки зору сильних взаємодій протон і нейтрон не відрізняються і для них використовується єдиний термін нуклон, Тобто частка ядра.

Характерний масштаб сильного взаємодії можна проілюструвати розглянувши два покояться нуклона. Теорія призводить до потенційної енергії їх взаємодії у вигляді потенціалу Юкави

де величина r 0 ≈10 -13 см і збігається по порядку величини з характерним розміром ядра, g - константа зв'язку сильного взаємодії. Це співвідношення показує, що сильна взаємодія є короткодействующим і по суті повністю зосереджена на відстанях, що не перевищують характерного розміру ядра. При r\u003e r 0 воно практично зникає. Відомим макроскопічними проявом сильної взаємодії служить ефект -радіоактивне. Слід, однак, мати на увазі, що потенціал Юкави не є універсальним властивістю сильного взаємодії і не пов'язаний з його фундаментальними аспектами.
В даний час існує квантова теорія сильної взаємодії, що отримала назву квантової хромодинаміки. Відповідно до цієї теорії, переносниками сильного взаємодії є елементарні частинки - глюони. За сучасними уявленнями частки, що у сильній взаємодії і звані адронами, складаються з елементарних частинок - кварків.
Кварки представляють собою ферміони зі спіном 1/2 і ненульовий масою. Найбільш дивовижну властивість кварків є їх дробовий електричний заряд. Кварки формуються в три пари (три покоління дублетів), що позначаються наступним чином:

u	c
d	s	b

Кожен тип кварка прийнято називати ароматом, так що існують шість кваркових ароматів. При цьому u-, c-, t-кварки мають електричний заряд 2/3 | e | , А d-, s-, b-кварки - електричний заряд -1/3 | e |, де e - заряд електрона. Крім того, існують три кварка даного аромату. Вони відрізняються квантовим числом, званим кольором і приймають три значення: жовтий, синій, червоний. Кожному кварку відповідає антікварк, що має по відношенню до даного кварку протилежний електричний заряд і так званий антіцвет: антіжелтий, антісіній, антікрасний. Беручи до уваги число ароматів і кольорів, ми бачимо, що всього існують 36 кварків і антикварків.
Кварки взаємодіють один з одним за допомогою обміну вісьмома глюонами, які представляють собою безмасові бозони зі спіном 1. У процесі взаємодії кольору кварків можуть змінюватися. При цьому сильна взаємодія умовно зображується наступним чином:

Кварк, що входить до складу адрону, випускає глюон, в силу чого стан руху адрону змінюється. Цей глюон поглинається кварком, що входять до складу іншого адрону, і змінює стан його руху. В результаті виникає взаімовоздействія адронів один на одного.
Природа влаштована так, що взаємодія кварків завжди веде до утворення безбарвних пов'язаних станів, які як раз і є адронів. Наприклад, протон і нейтрон складені з трьох кварків: p \u003d uud, n \u003d udd. Півонія π - складений з кварка u і антікварка: π - \u003d u. Відмітна риса кварк-кваркового взаємодії через глюони полягає в тому, що зі зменшенням відстані між кварками їх взаємодія послаблюється. Це явище отримало назву асимптотической свободи і веде до того, що всередині адронів кварки можна розглядати як вільні частки. Асимптотична свобода природним чином випливає з квантової хромодинаміки. Є експериментальні і теоретичні вказівки на те, що зі зростанням відстані взаємодія між кварками має зростати, в силу чого кваркам енергетично вигідно перебувати всередині адрону. Це означає, що ми можемо спостерігати тільки безбарвні об'єкти - адрони. Поодинокі кварки і глюони, що володіють кольором, не можуть існувати у вільному стані. Явище утримання елементарних частинок, що володіють кольором, всередині адронів отримало назву конфайнмента. Для пояснення конфайнмента пропонувалися різні моделі, однак послідовне опис, що випливає з перших принципів теорії, до сих пір не побудовано. З якісної точки зору труднощі пов'язані з тим, що, володіючи кольором, глюони взаємодіють з усіма кольоровими об'єктами, в тому числі і один з одним. З цієї причини квантова хромодинамика є істотно нелінійної теорією і наближені методи дослідження, прийняті в квантової електродинаміки і електрослабкої теорії, виявляються не цілком адекватними в теорії сильних взаємодій.

Тенденції об'єднання взаємодій

Ми бачимо, що на квантовому рівні всі фундаментальні взаємодії проявляють себе однаково. Елементарна частинка речовини випускає елементарну частинку - переносник взаємодії, яка поглинається іншою елементарною частинкою речовини. Це веде до взаємовпливу частинок речовини один на одного.
Безрозмірна константа зв'язку сильного взаємодії може бути побудована за аналогією з постійної тонкої структури у вигляді g2 / (c) 10. Якщо порівняти безрозмірні константи зв'язку, то легко помітити, що найслабшим є гравітаційна взаємодія, а потім розташовуються слабке, електромагнітне і сильне.
Якщо взяти до уваги вже розвинену об'єднану теорію електрослабкої взаємодії, звану зараз стандартної, і слідувати тенденції об'єднання, то виникає проблема побудови єдиної теорії електрослабкої і сильної взаємодій. В даний час створені моделі такої єдиної теорії, що отримали назву моделі великого об'єднання. Всі ці моделі мають багато спільних моментів, зокрема характерна енергія об'єднання виявляється близько 10 15 ГеВ, що значно перевершує характерну енергію об'єднання електромагнітних і слабких взаємодій. Звідси випливає, що пряме експериментальне дослідження великого об'єднання виглядає проблематичним навіть у досить віддаленому майбутньому. Для порівняння зазначимо, що найбільша енергія, досяжна на сучасних прискорювачах, не перевищує 10 3 Гев. Тому якщо і будуть отримані будь-які експериментальні дані щодо великого об'єднання, то вони можуть носити тільки непрямий характер. Зокрема, моделі великого об'єднання пророкують розпад протона і існування магнітного монополя великої маси. Експериментальне підтвердження цих прогнозів було б грандіозним тріумфом тенденцій об'єднання.
Загальна картина розподілу єдиного великого взаємодії на окремі сильна, слабка і електромагнітне взаємодії виглядає наступним чином. При енергіях близько 10 15 ГеВ і вище існує єдине взаємодія. Коли енергія опускається нижче 10 15 ГеВ, сильне і електрослабкої взаємодії відокремлюються одна від одної і представляються як різні фундаментальні взаємодії. При подальшому зменшенні енергії нижче 10 2 ГеВ відбувається відділення слабкого і електромагнітного взаємодій. В результаті на масштабі енергій, характерних для фізики макроскопічних явищ, три розглянутих взаємодії виглядають як не мають єдиної природи.
Зауважимо тепер, що енергія 10 15 ГеВ відстоїть не так далеко від планковской енергії

при якій стають істотними квантовогравітаціонние ефекти. Тому теорія великого об'єднання з необхідністю веде до проблеми квантової гравітації. Якщо далі слідувати тенденції об'єднання, ми повинні прийняти ідею про існування одного всеосяжного фундаментального взаємодії, яке розділяється на окремі гравітаційне, сильне, слабке і електромагнітне послідовно в міру зниження енергії від планковского значення до енергій, менших за 10 2 ГеВ.
Побудова такої грандіозної об'єднує теорії, мабуть, нездійсненне в рамках системи ідей, що призвели до стандартної теорії електрослабкої взаємодії і моделям великого об'єднання. Потрібне залучення нових, можливо здаються божевільними, уявлень, ідей, методів. Незважаючи на дуже цікаві підходи, розвинені останнім часом, такі, як супергравітації і теорія струн, проблема об'єднання всіх фундаментальних взаємодій залишається відкритою.

висновок

Отже, ми зробили огляд основних відомостей, що стосуються чотирьох фундаментальних взаємодій Природи. Коротко описані мікроскопічні і макроскопічні прояви цих взаємодій, картина фізичних явищ, в яких вони грають важливу роль.
Скрізь, де це було можливо, ми намагалися простежити тенденцію об'єднання, відзначити загальні риси фундаментальних взаємодій, привести дані про характерні масштабах явищ. Звичайно, що викладається тут матеріал не претендує на повноту розгляду і не містить багатьох важливих деталей, необхідних для систематичного викладу. Детальний опис порушених нами питань вимагає використання всього арсеналу методів сучасної теоретичної фізики високих енергій і виходить за рамки даної статті, науково-популярної літератури. Нашою метою було виклад загальної картини досягнень сучасної теоретичної фізики високих енергій, тенденції її розвитку. Ми прагнули викликати інтерес читача до самостійного, більш докладного вивчення матеріалу. Звичайно, при такому підході неминучі певні огрубіння.
Пропонований список літератури дозволяє більш підготовленому читачеві поглибити своє уявлення про питання, розглянуті в статті.

1. Окунь Л.Б. a, b, g, Z. М .: Наука, 1985.
2. Окунь Л.Б. Фізика елементарних частинок. М .: Наука, 1984.
3. Новиков І.Д. Як вибухнула Всесвіт. М .: Наука, 1988.
4. Фрідман Д., ван. Ньювенхейзен П. // Успіхи фіз. наук. 1979. Т. 128. N 135.
5. Хокінг С. Від Великого Вибуху до чорних дірок: Коротка історія часу. М .: Світ, 1990..
6. Девіс П. Суперсила: Пошуки єдиної теорії природи. М .: Мир, 1989.
7. Зельдович Я.Б., Хлопов М.Ю. Драма ідей в пізнанні природи. М .: Наука, 1987.
8. Готтфрід К., Вайськопф В. Концепції фізики елементарних частинок. М .: Мир, 1988.
9. Coughlan G.D., Dodd J.E. The Ideas of Particle Physics. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1993.

сила - векторна фізична величина, що є мірою інтенсивності впливу на дане тіло інших тіл, а також полів. Прикладена до масивного тіла сила є причиною зміни його швидкості або виникнення в ньому деформацій.

В сучасній науці виділяють 4 типи взаємодій. Два з них, які розглядаються в механіці, називаються гравітаційне і електромагнітне. Їм відповідають сили, які не можна звести до більш простим, і тому вони називаються фундаментальними. Ще два: сильні та слабкі є ядерними. Сила тяжіння і g. деформація - це зміна розмірів або форми тіла під впливом інших тіл. Як відомо з курсу шкільної фізики, всі тіла складаються з електричних зарядів. При деформації тіл змінюються відстані між зарядами, а це, в свою чергу, призводить до порушення рівноваги між силами тяжіння і відштовхування між зарядами. При розтягуванні тіла переважають сили притягання між зарядами і тіло «чинить опір» розтягування, аналогічно, при стисненні переважають сили відштовхування. Закон Гука. Сила реакції опори і сила натягу підвісу. В еСОМІ тіла називають силу, з якою тіло діє на опору або підвіс. При взаємодії тіла з опорою або підвісом деформується і саме тіло, що призводить до появи сили пружності, що діє на опору або підвіс. Сили ваги і реакції опори пов'язані між собою відповідно до третього закону Ньютона. Аналогічне рівність є і для тіла на підвісі. Т \u003d Р. Сила тертя.

В рамках класичної механіки гравітаційна взаємодія описується законом всесвітнього тяжіння Ньютона, який говорить, що сила гравітаційного тяжіння між двома матеріальними точками маси і, розділеними відстанню, пропорційна обом масам і обернено пропорційна квадрату відстані - тобто:

Електромагнітна взаємодія існує між частками, що володіють електричним зарядом. З сучасної точки зору електромагнітне взаємодія між зарядженими частинками здійснюється не прямо, а тільки за допомогою електромагнітного поля.

У сильній взаємодії беруть участь кварки і глюони і складені з них частинки, що називаються адронів (баріони і мезони). Воно діє в масштабах порядку розміру атомного ядра і менш, відповідаючи за зв'язок між кварками в адронів і за притягання між нуклонами (різновид баріонів - протони і нейтрони) в ядрах.

слабка взаємодія, або слабке ядерна взаємодія - одне з чотирьох фундаментальних взаємодій в природі. Воно відповідально, зокрема, за бета-распадядра. Ця взаємодія називається слабким, оскільки два інших взаємодії, значимі для ядерної фізики (сильне і електромагнітне), характеризуються значно більшою інтенсивністю. Однак воно значно сильніше четвертого з фундаментальних взаємодій, гравітаційного. Слабка взаємодія є короткодействующим - воно проявляється на відстанях, значно менших розміру атомного ядра.

Які сили ви знаєте? Силу тяжіння, натягу нитки,стиснення пружини, зіткнення тіл, силу тертя, вибуху, опору повітря і середовища, поверхневого натягу рідини, сили Ван-дер-Ваальса - і на цьому список зовсім не закінчується. Але всі ці сили - похідні чотирьох фундаментальних! Про них і піде мова.

чотири сили

Основою основ фізичних законів є чотири фундаментальні взаємодії, Які відповідають за всі процеси у Всесвіті. Якщо елементарні частинки можна порівняти з цеглинками буття, то взаємодії - це цементний розчин. Сильне, електромагнітну, слабку і гравітаційне - саме в такому порядку, від сильного до слабкого, розглядаються взаємодії. Їх не можна звести до більш простим - тому вони і називаються фундаментальними.

Перш ніж приступати до опису сил, необхідно пояснити, що мається на увазі під словом взаємодія. Фізики розглядають його як результат обміну якимись посередниками, їх прийнято називати переносниками взаємодії.

Почнемо з самого інтенсивного. сильне взаємодія було відкрито в 30-х роках минулого століття в період активного дослідження атома. Виявилося, що цілісність і стабільність його ядра якраз і забезпечується надзвичайно сильним взаємодією нуклонів між собою.

нуклони (Від лат. Nucleus - ядро) - загальна назва для протонів і нейтронів, головних компонентів ядра атома. З точки зору сильної взаємодії ці частинки невиразні. Нейтрон важче протона на 0,13% - це виявилося досить, щоб стати єдиною з мають масу спокою елементарних частинок, для якої спостерігалося гравітаційна взаємодія.

Вміст ядер притягується один до одного за рахунок особливих квантів - π-мезонів, що є «офіційними» переносниками сильного взаємодії. Така ядерна сила в 1038 разів інтенсивніше самого слабкого взаємодії - гравітаційного. Якби сильна взаємодія раптом зникло, атоми у Всесвіті моментально розпалися б. За ними молекули, далі речовина - вся навколишня дійсність перестала б існувати, за винятком елементарних частинок. Цікавою особливістю їх «взаємин» є блізкодействіе: позитивно заряджені частинки, протони, притягуються один до одного тільки при безпосередньому контакті.

Якщо протони видалені на деяку відстань один від одного, виникає електромагнітне взаємодія, при якому однойменно заряджені частинки відштовхуються, а різнойменно заряджені - притягуються. У разі незаряджених частинок ця сила не виникає - згадаємо знаменитий закон Кулона про нерухомих точкових електричних зарядах. Переносниками електромагнітних сил є фотони, що забезпечують крім іншого перенесення енергії Сонця до нашої планети. Виняток цієї сили загрожує Землі повним замерзанням. Електромагнітна взаємодія сильніше гравітаційного в 1035 разів, тобто всього в 100 разів слабкіше ядерного.

Природа передбачила ще одну фундаментальну силу, що відрізняється зникаюче малою інтенсивністю і дуже незначним радіусом дії (менше атомного ядра). це слабке взаємодія - його переносниками виступають особливі заряджені і нейтральні бозони. Сферою відповідальності слабких сил є перш за все бета-розпад нейтрона, що супроводжується утворенням протона, електрона і (анти-) нейтрино. Подібні перетворення активно йдуть на Сонце, що і визначає важливість цього фундаментального взаємодії для нас з вами.

(Не) пізнана гравітація

Всі описані сили досить докладно вивчені і органічно вбудовані в фізичну картину світу. Однак остання сила, гравітаційна, Відрізняється настільки малою інтенсивністю, що про її сутності досі доводиться гадати.

Парадоксальність гравітаційної взаємодії в тому, що ми його щомиті відчуваємо, але ніяк не можемо зафіксувати переносника. Є лише припущення про існування гіпотетичного кванта Гравітон, що володіє швидкістю світла. Він здатний до інтерференції і дифракції, але обділений зарядом. Вчені вважають, що, коли одна частинка випускає гравітон, змінюється характер її руху, - аналогічна ситуація складається з часткою, яка приймає квант. Рівень розвитку техніки поки не дозволяє нам «побачити» гравітон і більш детально вивчити його властивості. Інтенсивність гравітації в 1025 разів менше слабкої взаємодії.

Як же так, скажете ви, сила тяжіння зовсім не видається слабкою! В цьому і полягають унікальні властивості фундаментального взаємодії № 4. Наприклад, універсальність - будь-яке тіло з будь-масою створює в просторі гравітаційне поле, здатне проникати крізь будь-яку перешкоду. Причому сила гравітації збільшується з масою об'єкта - властивість, характерна тільки для цієї взаємодії.

Ось чому гігантська в порівнянні з людиною Земля створює навколо себе гравітаційне поле, яке утримує на поверхні повітря, воду, гірські породи і, звичайно, живу оболонку. Якщо одномоментно скасувати гравітацію, швидкість, з якою ми з вами вирушимо в космос, складе 500 м / с. Нарівні з електромагнітним взаємодією гравітація має великою дальністю дії. Тому її роль в системі рухомих тіл у Всесвіті величезна. Навіть між двома людьми, що знаходяться на значній відстані один від одного, існує мікроскопічне гравітаційне тяжіння.

Гравітаційна гармата - вигадане зброя, що створює локальне гравітаційне поле. Зброя дозволяє притягувати, піднімати і кидати предмети за рахунок сили, що генерується полем. Вперше цю концепцію використовували в комп'ютерній грі Half-life 2.

Уявіть собі крутиться дзига, вертикально закріплений в центрі кільцевої рами, вільно обертається навколо горизонтальної осі. Ця рама - назвемо її внутрішньої - в свою чергу закріплена на зовнішній кільцевій рамі, також вільно обертається в горизонтальній площині. Конструкція навколо дзиги отримала назву карданова підвісу, А все разом це гіроскоп.

У стані спокою дзига в гіроскопі мирно обертається у вертикальному положенні, але як тільки зовнішні сили - наприклад, прискорення - намагаються повернути вісь обертання дзиги, він розгортається перпендикулярно до цих дій. Як би ми не старалися повернути дзига в гіроскопі, він все одно буде обертатися в вертикальному положенні. Найдосконаліші гіроскопи реагують навіть на обертання Землі, що вперше продемонстрував француз Жан Бернар Фуко в 1851 році. Якщо оснастити гіроскоп датчиком, що зчитує положення дзиги щодо рами, ми отримаємо точне навігаційне пристрій, що дозволяє відстежувати рух об'єкта в просторі - наприклад, літака.

гравітаційні ефекти

Гравітація може зіграти злий жарт з великими, набагато масивніше Землі, об'єктами в космосі - наприклад, зірками на пізніх стадіях еволюції. Сила тяжіння стискає зірку та в певний момент пересилює внутрішній тиск. Коли радіус такого об'єкта стає менше гравітаційного, відбувається колапс, І зірка гасне. Від неї не виходить більше ніяка інформація, навіть світлові промені не можуть подолати гігантську силу тяжіння. Так народжується чорна діра.

У планет, об'єктів значно більше мініатюрних, свої гравітаційні особливості. Так, Земля за рахунок власної маси викривляє простір-час і закручує його своїм обертанням! Ці явища отримали назву геодезичної прецесії і гравітомагнітного ефекту відповідно.

Що таке геодезична прецесія? Уявімо, що по орбіті нашої планети рухається об'єкт, на поверхні якого (в невагомості) з великою швидкістю обертається дзига. Його вісь буде відхилятися в напрямку руху з інтенсивністю 6,6 кутової секунди на рік. Земля викривляє своєю масою навколишній простір-час, створюючи в ньому подобу виїмки.

Гравітомагнітний ефект (Ефект Ленз - Тіррінга) добре ілюструє обертання палички в густому меді: вона захоплює за собою тягучу солодку масу, утворюючи спиралевидное завихрення. Так і Земля обертанням закручує навколо своєї осі «медове» простір-час. А фіксується це знову-таки віссю дзиги, що відхиляється в сторону обертання Землі на мікроскопічні 0,04 кутової секунди на рік.

Наша планета своєю гравітацією впливає на час і простір. Це твердження довгий час залишалося лише гіпотезою Ейнштейна і його послідовників, поки в 2004 році американці не запустили супутник Gravity Probe-B. Апарат обертався по полярній орбіті Землі і був оснащений найточнішими в світі гіроскопами - ускладненими аналогами Волчков. Про складність цих технічних шедеврів говорить той факт, що нерівності на кульках гіроскопів не перевищували двох-трьох атомів. Якщо збільшити ці мініатюрні сфери до розмірів Землі, то висота найбільшої нерівності не перевищить трьох метрів! Такі хитрощі знадобилися, щоб експериментально встановити то саме викривлення простору-часу. І після 17 місяців роботи на орбіті обладнання зафіксувало зміщення осей обертання відразу чотирьох супергіроскопов!

В ході експерименту Gravity Probe-B були доведені два ефекту Загальної теорії відносності: викривлення простору-часу (геодезична прецесія) і поява додаткового прискорення поблизу масивних тіл (гравітомагнітний ефект)

У гравітації є маса інших, набагато більш явних ефектів. Наприклад, в нашому організмі немає жодного органу, який б не був адаптований до земному тяжінню.

Саме тому людині так незвично і навіть небезпечно тривалий час перебувати в стані невагомості: кров перерозподіляється по організму таким чином, що чинить надмірний тиск на судини головного мозку, а кістки з часом відмовляються засвоювати солі кальцію і стають ламкими, як очерет. Тільки постійними фізичними навантаженнями людина може частково захистити себе від наслідків невагомості.

Гравітаційне поле Місяця впливає на Землю і її мешканців - про припливи-відливах знають всі. За рахунок відцентрової сили Місяць віддаляється від нас на 4 см на рік, і інтенсивність приливів невблаганно знижується. У доісторичний період Місяць була набагато ближче до Землі, і, відповідно, припливи були значними. Можливо, це стало головним чинником, що зумовив вихід живих організмів на сушу.

Незважаючи на те що ми до цих пір не знаємо, яка частка відповідає за гравітацію, ми можемо її виміряти! Для цього використовується спеціальний прилад - гравіметр, З яким активно працюють геологи в пошуках корисних копалин.

У товщі земної поверхні гірські породи мають різну щільність, а отже, і сила гравітації у них буде відрізнятися. Так можна визначити родовища легких вуглеводнів (нафти і газу), а також щільні породи металевих руд. Вимірюють силу тяжіння, фіксуючи найменші зміни швидкості вільного падіння тіла з відомою масою або ходу маятника. Для цього навіть ввели спеціальну одиницю вимірювання - Гал (Gal) в честь Галілео Галілея, Який першим в історії визначив силу тяжіння, заміривши шлях вільно падаючого тіла.

Багаторічні дослідження сили тяжіння Землі з космосу дозволили створити карту гравітаційних аномалій нашої планети. Різке збільшення сили гравітації на окремій ділянці суші може бути передвісником землетрусу чи виверження вулкана.

Дослідження фундаментальних взаємодій поки тільки набирає обертів. Не можна сказати з упевненістю, що сил всього чотири, - їх може бути і п'ять, і десять. Вчені намагаються зібрати всі взаємодії під «дахом» однієї моделі, однак до її створення ще ох як далеко. А головним центром тяжіння стає гіпотетичний гравітон. Скептики стверджують, що людина ніколи не зможе зафіксувати цей квант, так як його інтенсивність надто мала, але оптимісти вірять в майбутнє технологій і методів фізики. Поживемо побачимо.

фундаментальні взаємодії

У природі існує величезна безліч природних систем і структур, особливості та розвиток яких пояснюється взаємодією матеріальних об'єктів, тобто взаємним дією один на одного. Саме взаємодія - це основна причина руху матерії і воно властиво всім матеріальним об'єктам незалежно від їх походження та їх системної організації. Взаємодія універсально, як і рух. Взаємодіючі об'єкти обмінюються енергією і імпульсом (це основні характеристики їх руху). У класичній фізиці взаємодія визначається силою, з якою один матеріальний об'єкт діє на інший. Довгий час парадигмою була концепція дальнодействия - взаємодія матеріальних об'єктів, що знаходяться на великій відстані один від одного і воно передається через порожній простір миттєво. В даний час експериментально підтверджена інша - концепція близкодействия - взаємодія передається за допомогою фізичних полів з кінцевою швидкістю, що не перевищує швидкості світла у вакуумі. Фізичне поле - особливий вид матерії, що забезпечує взаємодію матеріальних об'єктів і їх систем (такі поля: електромагнітне, гравітаційне, поле ядерних сил - слабку і сильну). Джерелом фізичного поля є елементарні частинки (електромагнітного - заряджені частинки), в квантової теорії взаємодія обумовлено обміном квантами поля між частинками.

Розрізняють чотири фундаментальні взаємодії в природі: сильне, електромагнітну, слабку і гравітаційне, які визначають структуру навколишнього світу.

сильна взаємодія (Ядерна взаємодія) - взаємне притягання складових частин атомних ядер (протонів і нейтронів) і діє на відстані близько 10 -1 3 см, передається глюонами. З точки зору електромагнітної взаємодії протон і нейтрон - різні частинки, так як протон електрично заряджений, а нейтрон - немає. Але з точки зору сильної взаємодії, ці частинки невиразні, так як в стабільному стані нейтрон є нестабільною частинкою і розпадається на протон, електрон і нейтрино, але в рамках ядра він стає схожим за своїми властивостями з протоном, тому і був введений термін «нуклон ( від лат. nucleus - ядро) »і протон з нейтроном стали розглядатися як два різних стану нуклона. Чим сильніше взаємодія нуклонів в ядрі, тим стабільніше ядро, тим більше питома енергія зв'язку.

У стабільному речовині взаємодія між протонами і нейтронами при не дуже високих температурах посилюється, але якщо відбувається зіткнення ядер або їх частин (нуклонів, що володіють високою енергією) тоді відбуваються ядерні реакції, які супроводжуються виділенням величезної енергією.

При певних умовах сильна взаємодія дуже міцно пов'язує частки в атомні ядра - матеріальні системи з високою енергією зв'язку. Саме з цієї причини ядра атомів є досить стійкими, їх важко зруйнувати.

Без сильних взаємодій не існували б атомні ядра, а зірки і Сонце не могли б генерувати за рахунок ядерної енергії теплоту і світло.

електромагнітна взаємодія передається за допомогою електричних і магнітних полів. Електричне поле виникає при наявності електричних зарядів, а магнітне при їх русі. Змінюється електричне поле породжує змінне магнітне - це і є джерело змінного магнітного поля. Взаємодія такого типу властиво електрично заряджених частинок. Носієм електромагнітної взаємодії є не має заряду фотон - квант електромагнітного поля. В процесі електромагнітної взаємодії електрони і атомні ядра з'єднуються в атоми, атоми - в молекули. У певному сенсі це взаємодія є основним в хімії та біології.

Близько 90% інформації про навколишній світ ми отримуємо через електромагнітну хвилю, так як різні агрегатні стани речовини, тертя, пружність і т.п. визначаються силами міжмолекулярної взаємодії, які за своєю природою електромагнітні. Електромагнітні взаємодії описуються законами Кулона, Ампера і електромагнітної теорією Максвелла.

Електромагнітна взаємодія - це основа створення різних електроприладів, радіоприймачів, телевізорів, комп'ютерів і т.д. Воно приблизно в тисячу разів слабкіше сильного, але значно більш дальнодействием.

без електромагнітних взаємодій не було б атомів, молекул, макрооб'єктів, тепла і світла.

3. Слабка взаємодія можливо між різними частинками, крім фотона, воно є короткодействующим і проявляється на відстанях, менших розміру атомного ядра 10 -15 - 10 -22 см. Слабка взаємодія слабкіше сильного і процеси при слабкій взаємодії протікають повільніше, ніж при сильному. Відповідає за розпад нестабільних частинок (напр., Перетворення нейтрона в протон, електрон, антинейтрино). Саме завдяки цій взаємодії, більшість частинок нестабільні. Переносники слабкої взаємодії - ВІОНА, частинки з масою в 100 разів більша за масу протонів і нейтронів. За рахунок цього взаємодії світить Сонце (протон перетворюється в нейтрон, позитрон, нейтрино, що випускається нейтрино володіє величезною проницающей здатністю).

Без слабких взаємодій не були б можливі ядерні реакції в надрах Сонця і зірок, не виникали б нові зірки.

4. Гравітаційна взаємодія найслабше, не враховується в теорії елементарних частинок, так як на характерних для них відстанях (10 -13 см) ефекти малі, а на ультрамалих відстанях (10 -33 см) і при ультрабольшой енергіях гравітація набуває значення і починають проявлятися незвичайні властивості фізичного вакууму .

Гравітація (від лат. Gravitas - «тяжкість») - фундаментальне взаємодія є дальнодействием (це означає, що як би масивне тіло ні рухалося, в будь-якій точці простору гравітаційний потенціал залежить тільки від положення тіла в даний момент часу) і до нього схильні всі матеріальні тіла . В основному гравітація відіграє визначальну роль в космічних масштабах, мегасвіті.

В рамках класичної механіки, гравітаційна взаємодія описується законом всесвітнього тяжіння Ньютона, який говорить, що сила гравітаційного тяжіння між двома матеріальними точками маси m 1 і m 2, розділеними відстанню R, є

де G - гравітаційна постійна.

Без гравітаційних взаємодій не було галактик, зірок, планет, еволюції Всесвіту.

Від сили взаємодії залежить час, протягом якого відбувається перетворення елементарних частинок (при сильній взаємодії ядерні реакції відбуваються протягом 10 -24 - 10 -23 с., При електромагнітному - зміни здійснюються протягом 10 -19 - 10 -21 с., При слабкому розпад протягом 10 -10 с.).

Всі взаємодії необхідні і достатні для побудови складного і різноманітного матеріального світу, з них на думку вчених можна отримати суперсилу (При дуже високих температурах або енергіях всі чотири взаємодії об'єднуються в одне).