Glavne vrste temeljnih interakcij. Vrste interakcij

1.1. Gravitacija.

1.2. elektromagnetizem.

1.3. Šibka interakcija.

1.4. Problem enotnosti fizike.

2. Klasifikacija osnovnih delcev.

2.1. lastnosti subatomskih delcev.

2.2. leptoni.

2.3. Hadroni.

2.4. Delci so nosilci interakcij.

3. Teorije osnovnih delcev.

3.1. Kvantna elektrodinamika.

3.2. Teorija kvarkov.

3.3. Teorija elektrošibke interakcije.

3.4. Kvantna kromodinamika.

3.5. Na poti do velikega združevanja.

Bibliografija.

Uvod.

V sredini in drugi polovici dvajsetega stoletja so bili v tistih vejah fizike, ki preučujejo temeljno strukturo snovi, doseženi res neverjetni rezultati. Najprej se je to pokazalo v odkritju cele množice novih subatomskih delcev. Običajno jih imenujemo osnovni delci, vendar niso vsi zares osnovni. Mnogi od njih so sestavljeni iz še več elementarnih delcev. Svet subatomskih delcev je resnično raznolik. Ti vključujejo protone in nevtrone, ki sestavljajo atomska jedra, ter elektrone, ki krožijo okoli jeder. Obstajajo pa tudi delci, ki jih praktično nikoli ne najdemo v materiji okoli nas. Njihova življenjska doba je izjemno kratka, gre za najmanjše delčke sekunde. Po tem izjemno kratkem času razpadejo na navadne delce. Takšnih nestabilnih kratkoživih delcev je neverjetno veliko: nekaj sto jih je že znanih. V 60. in 70. letih 20. stoletja so bili fiziki popolnoma zmedeni zaradi števila, raznolikosti in nenavadnosti na novo odkritih subatomskih delcev. Zdelo se je, da jim ni konca. Povsem nejasno je, zakaj je toliko delcev. Ali so ti osnovni delci kaotični in naključni drobci snovi? Ali pa imajo morda ključ do razumevanja strukture vesolja? Razvoj fizike v naslednjih desetletjih je pokazal, da o obstoju takšne strukture ni dvoma. Ob koncu dvajsetega stoletja. fizika začenja razumeti pomen vsakega od elementarnih delcev. Za svet subatomskih delcev je značilna globoka in racionalna urejenost. Ta red temelji na temeljnih fizičnih interakcijah.

1. Temeljne fizične interakcije.

V vašem Vsakdanje življenječlovek se sooča s številnimi silami, ki delujejo na njegovo telo. Tu je sila vetra ali prihajajoči tok vode, zračni tlak, močan izpust eksplozivnih kemikalij, človeška mišična moč, teža težkih predmetov, pritisk svetlobnih kvantov, privlačnost in odbojnost električnih nabojev, seizmični valovi. ki včasih povzročijo katastrofalno uničenje, vulkanske izbruhe, ki so povzročili smrt civilizacije itd. Nekatere sile delujejo neposredno ob stiku s telesom, druge, na primer gravitacija, delujejo na daljavo, skozi prostor. Toda, kot se je izkazalo kot posledica razvoja teoretičnega naravoslovja, lahko kljub tako veliki raznolikosti vse sile, ki delujejo v naravi, zreduciramo le na štiri temeljne interakcije. Prav te interakcije so v končni fazi odgovorne za vse spremembe v svetu, so vir vseh transformacij teles in procesov. Preučevanje lastnosti temeljnih interakcij je glavna naloga moderna fizika.

Gravitacija.

V zgodovini fizike je gravitacija (gravitacija) postala prva od štirih temeljnih interakcij, ki so bile predmet znanstvenih raziskav. Po pojavu v 17. st. Prvič je bila uresničena Newtonova teorija gravitacije – zakon univerzalne gravitacije prava vloga gravitacija kot naravna sila. Gravitacija ima številne značilnosti, ki jo razlikujejo od drugih temeljnih interakcij. Najbolj presenetljiva lastnost gravitacije je njena nizka intenzivnost. Magnituda gravitacijska interakcija med komponentami vodikovega atoma je 10n, kjer je n = - 3 9, odvisno od interakcijske sile električni naboji. (Če bi dimenzije vodikovega atoma določala gravitacija in ne interakcija med električnimi naboji, bi bila najnižja (najbližja jedru) orbita elektrona večja od opazljivega dela vesolja!) ( Če bi dimenzije vodikovega atoma določala gravitacija in ne interakcija med električnimi naboji, bi bila najnižja (najbližje jedru) elektronska orbita večja od opazljivega dela vesolja!). Morda se zdi presenetljivo, da gravitacijo sploh čutimo, saj je tako šibka. Kako lahko postane prevladujoča sila v vesolju? Gre za drugo neverjetno lastnost gravitacije – njeno univerzalnost. Nič v vesolju ni brez gravitacije. Vsak delec doživlja delovanje gravitacije in je sam vir gravitacije. Ker vsak delec snovi izvaja gravitacijsko silo, se gravitacija povečuje, ko nastajajo večje kepe snovi. Gravitacijo čutimo v vsakdanjem življenju, ker vsi atomi Zemlje delujejo skupaj, da nas privlačijo. In čeprav je učinek gravitacijske privlačnosti enega atoma zanemarljiv, je lahko posledična sila privlačnosti vseh atomov pomembna. Gravitacija je naravna sila dolgega dosega. To pomeni, da čeprav se intenzivnost gravitacijske interakcije zmanjšuje z razdaljo, se širi v prostoru in lahko vpliva na telesa, ki so zelo oddaljena od izvora. V astronomskem merilu imajo gravitacijske interakcije veliko vlogo. Zahvaljujoč delovanju na velike razdalje gravitacija preprečuje, da bi vesolje razpadlo: drži planete v orbitah, zvezde v galaksijah, galaksije v jatah, jate v Metagalaksiji. Gravitacijska sila, ki deluje med delci, je vedno privlačna sila: teži k temu, da delce zbliža. Gravitacijski odboj še nikoli ni bil opažen (čeprav v tradicijah kvazi-znanstvene mitologije obstaja celo področje, imenovano levitacija - iskanje "dejstev" antigravitacije). Ker je energija, shranjena v kateremkoli delcu, vedno pozitivna in mu daje pozitivno maso, se delci pod vplivom gravitacije vedno približajo. Kaj je gravitacija, določeno polje ali manifestacija ukrivljenosti prostora-časa - na to vprašanje še vedno ni jasnega odgovora. Kot smo že omenili, obstajajo različna mnenja in koncepti fizikov o tem vprašanju.

elektromagnetizem.

Po velikosti električne sile veliko boljši od gravitacije. Za razliko od šibke gravitacijske interakcije lahko električne sile, ki delujejo med telesi normalne velikosti, zlahka opazimo. Elektromagnetizem je človek poznan že od nekdaj (polarni sij, strele ipd.). Dolgo časa so električne in magnetne procese proučevali neodvisno drug od drugega. Kot že vemo, je bil odločilen korak v spoznavanju elektromagnetizma storjen sredi 19. stoletja. J. C. Maxwell, ki je združil elektriko in magnetizem v enotno teorijo elektromagnetizma – prvo enotno teorijo polja. Obstoj elektrona je bil trdno uveljavljen v 90. letih prejšnjega stoletja. Zdaj je znano, da je električni naboj katerega koli delca snovi vedno večkratnik osnovne enote naboja - neke vrste "atom" naboja. Zakaj je temu tako, je izjemno zanimivo vprašanje. Niso pa vsi materialni delci nosilci električnega naboja. Na primer, foton in nevtrino sta električno nevtralna. V tem pogledu se elektrika razlikuje od gravitacije. Vsi materialni delci ustvarjajo gravitacijsko polje, medtem ko so samo nabiti delci povezani z elektromagnetnim poljem. Tako kot električni naboji se tako kot magnetni poli odbijajo, nasprotni pa privlačijo. Vendar se za razliko od električnih nabojev magnetni poli ne pojavljajo posamezno, ampak le v parih - Severni pol in južni pol. Že od antičnih časov so znani poskusi, da bi z delitvijo magneta dobili samo en izoliran magnetni pol - monopol. A vsi so se končali neuspešno. Morda obstoj izoliranih magnetni poli v naravi nemogoče? Na to vprašanje še ni dokončnega odgovora. Nekateri teoretični koncepti dopuščajo možnost monopola. Tako kot električne in gravitacijske interakcije se tudi medsebojno delovanje magnetnih polov drži inverznega kvadratnega zakona. Posledično so električne in magnetne sile "dolgega dosega", njihov učinek pa se čuti na velikih razdaljah od vira. Tako zemeljsko magnetno polje sega daleč v vesolje. Močno magnetno polje Sonca zapolnjuje celotno Osončje. Obstajajo tudi galaktična magnetna polja. Elektromagnetna interakcija določa strukturo atomov in je odgovorna za veliko večino fizičnih in kemijski pojavi in procesi (razen jedrskih).

Šibka interakcija.

Fizika se počasi premika proti ugotavljanju obstoja šibke interakcije. Šibka sila je odgovorna za razpade delcev; zato se je njegova manifestacija soočila z odkritjem radioaktivnosti in študijem beta razpada. Beta razpad so našli v najvišja stopnjačudna lastnost. Raziskave so pripeljale do zaključka, da ta razpad krši enega od temeljnih zakonov fizike – zakon o ohranitvi energije. Zdelo se je, da je v tem razpadu del energije nekam izginil. Da bi "rešili" zakon o ohranitvi energije, je W. Pauli predlagal, da se skupaj z elektronom med beta razpadom oddaja še en delec. Je nevtralen in ima nenavadno visoko prodornost, zaradi česar ga ni bilo mogoče opaziti. E. Fermi je nevidni delec imenoval "nevtrino". Toda napovedovanje in odkrivanje nevtrinov je le začetek problema, njegova formulacija. Treba je bilo pojasniti naravo nevtrinov, vendar je tu ostalo veliko skrivnosti. Dejstvo je, da so tako elektrone kot nevtrine oddajala nestabilna jedra. Vendar je bilo neizpodbitno dokazano, da takih delcev v jedrih ni. Kako so nastali? Predlagano je bilo, da elektroni in nevtrini ne obstajajo v jedru v "pripravljeni obliki", ampak so nekako oblikovani iz energije radioaktivnega jedra. Nadaljnje raziskave so pokazale, da nevtroni, vključeni v jedro, prepuščeni sami sebi, po nekaj minutah razpadejo na proton, elektron in nevtrino, tj. namesto enega delca se pojavijo trije novi. Analiza je vodila do zaključka, da znane sile ne morejo povzročiti takšnega razpada. Očitno ga je ustvarila neka druga, neznana sila. Raziskave so pokazale, da ta sila ustreza neki šibki interakciji. Je veliko šibkejši od elektromagnetnega, čeprav močnejši od gravitacijskega. Širi se na zelo kratke razdalje. Polmer šibke interakcije je zelo majhen. Šibka interakcija se ustavi na razdalji večji od 10n cm (kjer je n = - 1 6) od izvora in zato ne more vplivati ​​na makroskopske objekte, temveč je omejena na posamezne subatomske delce. Pozneje se je izkazalo, da večina nestabilnih osnovnih delcev sodeluje pri šibkih interakcijah. Teorijo šibke interakcije sta v poznih 60. letih ustvarila S. Weinberg in A. Salam. Od Maxwellove teorije elektromagnetnega polja je ustvarjanje te teorije največji korak k enotnosti fizike. 10.

Močna interakcija.

Zadnja v nizu temeljnih interakcij je močna interakcija, ki je vir ogromne energije. večina tipičen primer Energija, ki se sprosti zaradi močne interakcije, je naše Sonce. V globinah Sonca in zvezd se od določenega časa nenehno pojavljajo termonuklearne reakcije, ki jih povzroča močna interakcija. Toda človek se je naučil tudi sproščati močne interakcije: ustvarjena je bila vodikova bomba, zasnovane in izboljšane so bile tehnologije za nadzorovane termonuklearne reakcije. K ideji obstoja močna interakcija fizika je bila v procesu proučevanja zgradbe atomskega jedra. Neka sila mora zadržati protone v jedru in preprečiti, da bi se razpršili pod vplivom elektrostatičnega odbijanja. Gravitacija je za to prešibka; Očitno je potrebna neka nova interakcija, še več, močnejša od elektromagnetne. Pozneje je bilo odkrito. Izkazalo se je, da čeprav močna interakcija po svoji velikosti bistveno presega vse druge temeljne interakcije, je zunaj jedra ne čutimo. Izkazalo se je, da je polmer delovanja nove sile zelo majhen. Močna sila močno upade na razdalji od protona ali nevtrona, večji od približno 10n cm (kjer je n = - 13). Poleg tega se je izkazalo, da vsi delci ne doživljajo močnih interakcij. Izkusijo ga protoni in nevtroni, niso pa mu podvrženi elektroni, nevtrini in fotoni. V močnih interakcijah sodelujejo le težji delci. Teoretično razlago narave močne interakcije je bilo težko razviti. Preboj se je zgodil v zgodnjih 60. letih, ko je bil predlagan model kvarkov. V tej teoriji se nevtroni in protoni ne obravnavajo kot osnovni delci, temveč kot sestavljeni sistemi, zgrajeni iz kvarkov. Tako je v temeljnih fizičnih interakcijah jasno vidna razlika med silami dolgega in kratkega dosega. Na eni strani so interakcije neomejenega dosega (gravitacija, elektromagnetizem), na drugi pa interakcije kratkega dosega (močne in šibke). Svet fizičnih elementov kot celota se odvija v enotnosti teh dveh polarnosti in je utelešenje enotnosti izjemno majhnega in izjemno velikega – kratkotrajnega delovanja v mikrosvetu in daljnosežnega delovanja v celotnem vesolju.

Problem enotnosti fizike.

Znanje je posploševanje realnosti, zato je cilj znanosti iskanje enotnosti v naravi, ki povezuje različne fragmente znanja v eno sliko. Da bi ustvarili enoten sistem, je treba odkriti vezni člen med različnimi vejami znanja, neko temeljno razmerje. Iskanje takih povezav in odnosov je ena glavnih nalog znanstvenega raziskovanja. Kadarkoli je mogoče vzpostaviti takšne nove povezave, se razumevanje sveta, ki ga obdaja, bistveno poglobi, oblikujejo se novi načini spoznavanja, ki kažejo pot do prej neznanih pojavov. Vzpostavljanje globokih povezav med različnimi območji narave je tako sinteza znanja kot metoda, ki znanstveno raziskovanje vodi po novih, še neuhojenih poteh. Newtonovo odkritje povezave med privlačnostjo teles v zemeljskih razmerah in gibanjem planetov je pomenilo rojstvo klasične mehanike, na podlagi katere je bila zgrajena tehnološka osnova moderna civilizacija. Vzpostavljanje povezave termodinamične lastnosti plin s kaotično gibanje molekule postavila atomsko-molekularno teorijo snovi na trdno osnovo. Sredi prejšnjega stoletja je Maxwell ustvaril enotno elektromagnetno teorijo, ki je zajemala tako električne kot magnetne pojave. Potem, v dvajsetih letih našega stoletja, je Einstein poskušal združiti enotna teorija elektromagnetizem in gravitacijo. Toda do sredine dvajsetega stoletja. Razmere v fiziki so se korenito spremenile: odkriti sta bili dve novi temeljni interakciji - močna in šibka, tj. med ustvarjanjem enotna fizika ni več treba računati z dvema, temveč s štirimi temeljnimi interakcijami. To je nekoliko ohladilo gorečnost tistih, ki so upali na hitro rešitev tega problema. A sama ideja ni bila resno vprašljiva, navdušenje nad idejo pa ni bilo en sam opis ni minilo. Obstaja stališče, da vse štiri (ali vsaj tri) interakcije predstavljajo pojave iste narave in je treba najti njihov enoten teoretični opis. Možnost ustvarjanja enotne teorije sveta fizičnih elementov, ki temelji na eni sami temeljni interakciji, ostaja zelo privlačna. To so glavne sanje fizikov 20. stoletja. Toda dolgo so to ostale le sanje, in to zelo nejasne. Vendar pa je v drugi polovici 20. st. obstajali so predpogoji za uresničitev teh sanj in prepričanje, da to nikakor ni stvar daljne prihodnosti. Kot kaže, bi lahko kmalu postalo resničnost. Odločilni korak k enotni teoriji je bil narejen v 60-70-ih letih. z nastankom najprej teorije kvarkov, nato pa teorije elektrošibke interakcije. Obstaja razlog za domnevo, da smo na pragu močnejšega in globljega združevanja kot kdaj koli prej. Med fiziki narašča prepričanje, da se začenjajo pojavljati obrisi enotne teorije vseh temeljnih interakcij – Velikega poenotenja.

2 . Klasifikacija osnovnih delcev.

V vsakdanjem življenju se srečujemo z različnimi silami, ki nastanejo zaradi trka teles, trenja, eksplozije, napetosti niti, stiskanja vzmeti itd. Vendar so vse te sile posledica elektromagnetne interakcije atomov med seboj. Teorijo elektromagnetne interakcije je ustvaril Maxwell leta 1863.

Druga že dolgo znana interakcija je gravitacijska interakcija med telesi z maso. Leta 1915 je Einstein ustvaril splošno teorijo relativnosti, ki je povezala gravitacijsko polje z ukrivljenostjo prostora-časa.

V tridesetih letih prejšnjega stoletja Ugotovljeno je bilo, da so jedra atomov sestavljena iz nukleonov in niti elektromagnetne niti gravitacijske interakcije ne morejo pojasniti, kaj drži nukleone v jedru. Močna interakcija je bila predlagana za opis interakcije nukleonov v jedru.

Ko smo nadaljevali s preučevanjem mikrosveta, se je izkazalo, da nekaterih pojavov ne opisujejo tri vrste interakcij. Zato je bila predlagana šibka interakcija za opis razpada nevtrona in drugih podobnih procesov.

Danes so vse sile, znane v naravi, produkt štirih temeljne interakcije, ki jih je mogoče razvrstiti po padajoči intenzivnosti v naslednjem vrstnem redu:

• 1) močna interakcija;
• 2) elektromagnetna interakcija;
• 3) šibka interakcija;
• 4) gravitacijska interakcija.

Temeljne interakcije prenašajo osnovni delci – nosilci temeljnih interakcij. Ti delci se imenujejo merilni bozoni. Proces temeljnih interakcij teles lahko predstavimo na naslednji način. Vsako telo oddaja delce – nosilce interakcij, ki jih drugo telo absorbira. V tem primeru telesa doživljajo medsebojni vpliv.

Močna interakcija lahko pride med protoni, nevtroni in drugimi hadroni (glej spodaj). Je kratkega dosega in zanj je značilen radij delovanja sil reda 10 15 m Nosilec močne interakcije med hadroni je potonike, trajanje interakcije pa je približno 10 23 s.

Elektromagnetna interakcija ima štiri rede velikosti nižjo intenzivnost v primerjavi z močno interakcijo. Pojavlja se med nabitimi delci. Elektromagnetna interakcija je dolgotrajna in zanjo je značilen neskončen radij delovanja sil. Nosilec elektromagnetne interakcije je fotoni, trajanje interakcije pa je približno 10–20 s.

Šibka interakcija ima 20 velikostnih redov manjšo intenzivnost v primerjavi z močno interakcijo. Lahko se pojavi med hadroni in leptoni (glej spodaj). Leptoni vključujejo zlasti elektron in nevtrino. Primer šibke interakcije je zgoraj obravnavani p-razpad nevtronov. Šibka interakcija je kratkega dosega in je označena s polmerom delovanja sil velikosti 10 18 m vektorskih bozonov, trajanje interakcije pa je približno 10 10 s.

Gravitacijska interakcija ima 40 velikostnih redov manjšo intenzivnost v primerjavi z močno interakcijo. Pojavlja se med vsemi delci. Gravitacijska interakcija je dolgotrajna in zanjo je značilen neskončen radij delovanja sil. Nosilec gravitacijske interakcije je lahko gravitoni. Teh delcev še niso našli, kar je lahko posledica nizke intenzivnosti gravitacijske interakcije. Povezano je tudi z dejstvom, da je zaradi majhnih mas osnovnih delcev ta interakcija v procesih jedrske fizike nepomembna.

Leta 1967 sta A. Salam in S. Weinberg predlagala teorija elektrošibke interakcije, ki združuje elektromagnetne in šibke interakcije. Leta 1973 je nastala teorija močne interakcije kvantna kromodinamika. Vse to je omogočilo ustvarjanje standardni model osnovnih delcev, ki opisujejo elektromagnetne, šibke in močne interakcije. Vse tri tukaj obravnavane vrste interakcij nastanejo kot posledica postulata, da je naš svet simetričen glede na tri vrste merilnih transformacij.

Temeljne interakcije

V naravi obstaja veliko različnih naravnih sistemov in struktur, katerih značilnosti in razvoj so razloženi z medsebojnim delovanjem materialnih predmetov, to je z medsebojnim delovanjem drug na drugega. točno tako interakcija je glavni razlog za gibanje snovi in ​​je značilna za vse materialne objekte, ne glede na njihov izvor in njihovo sistemsko organizacijo. Interakcija je univerzalna, prav tako gibanje. Medsebojno delujoči objekti izmenjujejo energijo in zagon (to sta glavni značilnosti njihovega gibanja). IN klasična fizika interakcijo določa sila, s katero en materialni predmet deluje na drugega. Dolgo časa je bila paradigma koncept delovanja na dolge razdalje - interakcija materialnih predmetov, ki se nahajajo na veliki razdalji drug od drugega in se takoj prenesejo skozi prazen prostor. Trenutno je eksperimentalno potrjeno drugo - koncept interakcije kratkega dosega - interakcija se prenaša s pomočjo fizičnih polj s končno hitrostjo, ki ne presega hitrosti svetlobe v vakuumu. Fizično polje je posebna vrsta snovi, ki zagotavlja interakcijo materialnih objektov in njihovih sistemov (naslednja polja: elektromagnetno, gravitacijsko, polje jedrskih sil - šibko in močno). Izvor fizikalnega polja so osnovni delci (elektromagnetni – nabiti delci), v kvantna teorija interakcijo povzroči izmenjava kvantov polja med delci.

V naravi obstajajo štiri temeljne interakcije: močna, elektromagnetna, šibka in gravitacijska, ki določajo strukturo okoliškega sveta.

Močna interakcija (jedrska interakcija) – medsebojna privlačnost komponente atomskih jeder (protoni in nevtroni) in deluje na razdalji reda 10 -1 3 cm, prenašajo ga gluoni. Z vidika elektromagnetne interakcije sta proton in nevtron - različne delce, saj je proton električno nabit, nevtron pa ne. Toda z vidika močne interakcije teh delcev ni mogoče razlikovati, saj je nevtron v stabilnem stanju nestabilen delec in razpade na proton, elektron in nevtrino, znotraj jedra pa postane po svojih lastnostih podoben protonu, zato izraz "nukleon" (iz lat. jedro- jedro)« in proton z nevtronom so začeli obravnavati kot dve različni stanji nukleona. Močnejša kot je interakcija nukleonov v jedru, bolj stabilno je jedro, večja je specifična vezavna energija.

V stabilni snovi se poveča interakcija med protoni in nevtroni pri ne previsokih temperaturah, če pa pride do trka jeder ali njihovih delov (visokoenergijskih nukleonov), pride do jedrskih reakcij, ki jih spremlja sproščanje ogromne energije.

Pod določenimi pogoji močna interakcija zelo trdno veže delce v atomska jedra – materialne sisteme z visoko vezno energijo. Prav zaradi tega so jedra atomov zelo stabilna in jih je težko uničiti.

Brez močnih interakcij atomska jedra ne bi obstajala, zvezde in Sonce pa ne bi mogli ustvarjati toplote in svetlobe z jedrsko energijo.

Elektromagnetna interakcija prenašajo z uporabo električnih in magnetnih polj. Električno polje nastane v prisotnosti električnih nabojev, magnetno polje pa nastane, ko se premikajo. Spreminjajoče se električno polje ustvarja izmenično magnetno polje - to je vir izmeničnega magnetnega polja. Ta vrsta interakcije je značilna za električno nabite delce. Nosilec elektromagnetne interakcije je foton brez naboja – kvant elektromagnetnega polja. V procesu elektromagnetne interakcije se elektroni in atomska jedra združijo v atome, atomi pa v molekule. V določenem smislu je ta interakcija temeljna v kemiji in biologiji.

Skozi elektromagnetno valovanje prejmemo okoli 90 % informacij o svetu okoli nas, saj različna agregatna stanja, trenje, elastičnost itd. določajo sile medmolekularne interakcije, ki so po naravi elektromagnetne. Elektromagnetne interakcije opisujejo Coulombovi, Amperovi zakoni in Maxwellova elektromagnetna teorija.

Elektromagnetna interakcija je osnova za ustvarjanje različnih električnih naprav, radijskih sprejemnikov, televizorjev, računalnikov itd. Je približno tisočkrat šibkejši od močnega, a veliko daljši.

brez elektromagnetnih interakcij ne bi bilo atomov, molekul, makro-predmetov, toplote in svetlobe.

3. Šibka interakcija morda med različnimi delci, razen fotonom, je kratkega dosega in se manifestira na razdaljah, manjših od velikosti atomskega jedra 10 -15 - 10 -22 cm počasneje kot pri močni interakciji. Odgovoren za razpad nestabilnih delcev (na primer preoblikovanje nevtrona v proton, elektron, antinevtrino). Zaradi te interakcije je večina delcev nestabilnih. Nosilci šibke interakcije - vioni, delci z maso 100-krat več mase protoni in nevtroni. Zaradi te interakcije sije Sonce (proton se spremeni v nevtron, pozitron, nevtrino, izsevani nevtrino ima ogromno prodorno sposobnost).

Brez šibkih interakcij jedrske reakcije v globinah Sonca in zvezd ne bi bile mogoče in nove zvezde ne bi nastale.

4. Gravitacijska interakcija najšibkejša, se v teoriji osnovnih delcev ne upošteva, saj so na značilnih razdaljah (10 -13 cm) učinki majhni, na ultra majhnih razdaljah (10 -33 cm) in pri ultravisokih energijah pa gravitacija. postane pomemben in začnejo se pojavljati nenavadne lastnosti fizikalnega vakuuma.

Gravitacija (iz latinščine gravitas - "gravitacija") - temeljna interakcija je dolgega dosega (to pomeni, da ne glede na to, kako masivno se telo premika, je na kateri koli točki v vesolju gravitacijski potencial odvisen samo od položaja telesa v danem trenutek v času) in vsa materialna telesa so mu podvržena. V bistvu ima gravitacija odločilno vlogo v kozmičnem merilu, Megasvetu.

V okviru klasične mehanike je opisana gravitacijska interakcija zakon univerzalne gravitacije Newton, ki trdi, da je sila gravitacijske privlačnosti med dvema materialnima točkama mase m 1 in m 2 ločeni z razdaljo R, Tukaj je

Kje G- gravitacijska konstanta.

Brez gravitacijskih interakcij ne bi bilo galaksij, zvezd, planetov ali evolucije vesolja.

Čas, v katerem pride do transformacije osnovnih delcev, je odvisen od moči interakcije (z močno interakcijo se jedrske reakcije pojavijo v 10 -24 - 10 -23 s., z elektromagnetnimi - spremembe se pojavijo v 10 -19 - 10 -21 s. , s šibkim razpadom v 10 -10 s.).

Vse interakcije so potrebne in zadostne za gradnjo kompleksnega in raznolikega materialnega sveta, iz katerega je po mnenju znanstvenikov mogoče pridobiti velesila(pri zelo visoke temperature ali energije so vse štiri interakcije združene v eno).

Danes bi vam rad povedal o temeljnih silah ali interakcijah. Izvedeli boste, kaj so, koliko jih je in zakaj so potrebni.

Gremo!

Kaj so temeljne sile?

V našem vesolju jih je veliko fizična moč in interakcije. Na primer sila trenja, jedrske reakcije in kemične vezi. Toda vse so sekundarne, razen nekaterih štirih interakcij. Imenujejo se "temeljni". So vrste medsebojnega delovanja osnovnih delcev in določajo vse druge sile v naravi.

Na samem začetku vesolja je obstajala ena temeljna interakcija. A to ni trajalo dolgo. Že ob koncu prve sekunde zatem se je ena osnovna sila razdelila na štiri ločene interakcije: močno, šibko, elektromagnetno in gravitacijsko. Poglejmo jih vse.

Močna interakcija.

Ste se kdaj vprašali, zakaj so atomi najbolj kemični elementi stabilno? Zdi se, da tukaj ni nič zapletenega. Vendar pa je v 30. letih prejšnjega stoletja iskanje odgovora na to vprašanje znanstvenike preznojili.

Od šolski tečaj fizika in kemija Verjetno veš, da je atom sestavljen iz dveh delov: jedra in elektronov, ki krožijo okoli njega. Jedro pa je sestavljeno iz "nukleonov" - protonov in nevtronov.

Atom je električno nevtralen. Toda v njegovem jedru so samo pozitivno in nevtralno nabiti delci - protoni in nevtroni. Znano je, da se lahko privlačijo samo nasprotno nabita telesa - z drugimi besedami, "plus" v "minus". Zato se morajo protoni in nevtroni odbijati. Vendar pa v resnici atomi jedra še vedno obstajajo in niso pomembni. Kakšen je razlog?

"Mogoče je vse odvisno od gravitacije?" - takrat so mislili fiziki. Izkazalo se je, da ne. Gravitacijska interakcija, ki je najšibkejša od vseh, ne bi mogla vzdržati elektromagnetnih sil.

To pomeni, da obstaja neka precej močna sila, ki veže nukleone v stabilne atome jedra. Imenuje se "močna interakcija". Pozneje se je izkazalo, da povezuje tudi kvarke (predstavnike ene od skupin temeljni delci) v sestavljene delce, imenovane "hadroni" - na primer iste protone in nevtrone.

Močna interakcija vključuje kvarke, hadrone in gluone. Gluoni nimajo mase in so nosilci močne sile. Izmenjajo jih kvarki in s tem realizirajo to temeljno silo.

Močna jedrska sila je najmočnejša sila v naravi. Je tisočkrat močnejši od elektromagnetnega in 100.000-krat močnejši od »šibkega jedra«, njegova moč pa presega gravitacijo za kar 10 39 (10 na 39 potenco)-krat.

Močna interakcija je brutalna – zaradi nje znanstveniki ne morejo opazovati kvarkov v prostem stanju. Ti ubogi delci so za vedno ujeti v hadrone. Izkazalo se je, da bolj ko so kvarki drug od drugega, močnejša je njihova privlačnost. Zato teh delcev nikoli ne opazimo, da tavajo sami po vesolju in obstajajo samo v hadronih.

elektromagnetizem.

V elektromagnetni interakciji sodelujejo vsa telesa in delci, ki imajo električni naboj. Vendar pa obstajajo izjeme - lahko sodelujejo nevtralni delci, vendar sestavljeni iz nabitih. Osupljiv primer je nevtron. Ima nevtralen naboj, vendar je sestavljen iz nabitih kvarkov.

Do elektromagnetne interakcije pride med nabitimi delci skozi elektromagnetno polje. Njegov kvant (temeljni delec) je foton – tudi trol celotnega vesolja.

Elektromagnetizem je v dejstvu, da nabiti delci medsebojno delujejo in izmenjujejo fotone.

Elektromagnetne sile se pojavljajo v obliki sil in privlačnosti (telo s pozitivni naboj privlačijo negativno nabiti) in odboj.

Ta interakcija je zelo pomembno vlogo v naravi zaradi medsebojnega delovanja. Določa strukturo molekul (kemične vezi) in elektronske lupine v atomih. Zato se veliko stvari spusti na elektromagnetizem.

Večina običajnih fizičnih sil, ki se štejejo za " klasična mehanika»Newton – sila trenja, elastičnost, površinska napetost itd. – so elektromagnetne narave.

Določajo tudi elektromagnetne sile večina fizične lastnosti teles makrokozmosa, pa tudi njihove spremembe med prehodom iz enega agregatno stanje drugemu. Ta interakcija je osnova električnih, magnetnih, optičnih in kemičnih pojavov.

Šibke jedrske sile.

Šibka interakcija se pojavi na razdaljah, ki so veliko manjše od atomskega jedra. Je šibkejša od dveh zgoraj opisanih osnovnih sil, a močnejša od gravitacije.

Šibke jedrske sile vključujejo dve skupini osnovnih delcev (leptone in kvarke) in hadrone. V procesu šibke interakcije delci izmenjujejo "nosilce" - W- in Z-bozone, ki so precej masivni, v nasprotju z brezmasnimi gluoni in fotoni.

Šibke jedrske sile igrajo pomembno vlogo v naravi. Toplotno uhajanje jedrske reakcije v zvezdah je posledica prav te interakcije. Z drugimi besedami, zahvaljujoč šibkim jedrske sile Sonce in druga plinasta telesa gorijo.

A to še ni vse. Šibka interakcija je odgovorna za beta razpad atomska jedra. Ta postopek je eden izmed tri vrste radioaktivnost. Sestoji iz emisije "beta delcev" jedra: elektronov ali pozitronov.

Zahvaljujoč šibki interakciji, t.i "šibek razpad". Takrat se masivni delci delijo na lažje. Pomemben poseben primer je razpad nevtrona – ta se lahko spremeni v proton, elektron in antinevtrino.

Gravitacija.

Univerzalna temeljna interakcija. Podvržena so ji vsa materialna telesa - od osnovnih delcev do ogromnih galaksij. Ta temeljna sila je najšibkejša od vseh in se izraža v želji materialnih teles drug do drugega – privlačnosti.

Gravitacija je sila dolgega dosega in nadzoruje najbolj globalne procese v vesolju. Zahvaljujoč njej so bile zvezde in njihove kopice združene v galaksije. Zahvaljujoč njej se v meglicah oblikujejo plinaste zvezde, hladni kosi kamna v vesolju so združeni v planete in žoga, ki jo vržete navzgor, bo zagotovo padla.

Gravitacija že nekaj desetletij zavaja fizike. Je predmet dolgotrajnega konflikta med dvema glavnima fizikalne teorije: kvantna mehanika in relativnostna teorija. Ampak zakaj?

Dejstvo je, da splošna teorija relativnost in kvantna fizika sta zgrajeni na različnih principih in opisujeta to temeljno silo na različne načine.

Einstein je razložil gravitacijo kot ukrivljenost samega prostora-časa zaradi mas materialnih teles. In kvantna fizika ga »kvantizira« – opisuje kot interakcijo, ki ima svoje nosilne delce. Imenujejo se "gravitoni".

V kvantni mehaniki prostor-čas ni predstavljen z »dinamično spremenljivko«, tj. ni odvisen od teles in sistemov, ki se nahajajo v njem. In to je v nasprotju s teorijo relativnosti.

Najbolj presenetljivo pa je, da sta bili ti dve teoriji kljub temeljnim razlikam eksperimentalno dokazani. Kvantna mehanika odlično opisuje mikrosvet, relativnostna teorija pa opisuje Vesolje v makroskopskem merilu.

Zdaj obstajajo poskusi združitve relativističnega in kvantna fizika in brezhibno opisujejo gravitacijo. Nato se bo zgradila »teorija vsega«, glavni kandidat za ta naziv pa je »teorija strun«, ki je do roba prepletena s svojimi 11 dimenzijami.

V redu, zdaj je vsega konec!

Kaj so temeljne interakcije?

Interakcija v fiziki je vpliv teles ali delcev drug na drugega, kar povzroči spremembo njihovega gibanja.

Delovanje na bližino in na velike razdalje (ali delovanje na daljavo). V fiziki že dolgo obstajata dve stališči o medsebojnem delovanju teles. Prvi od njih je predpostavil prisotnost nekega agenta (na primer etra), prek katerega eno telo prenaša svoj vpliv na drugo in s končno hitrostjo. To je teorija delovanja kratkega dosega. Drugi je predpostavil, da se interakcija med telesi dogaja skozi prazen prostor, ki ne sodeluje pri prenosu interakcije, prenos pa se zgodi takoj. To je teorija delovanja na dolge razdalje. Zdelo se je, da je dokončno zmagala po Newtonovem odkritju zakona univerzalne gravitacije. Na primer, veljalo je, da bi moralo gibanje Zemlje takoj povzročiti spremembo gravitacijske sile, ki deluje na Luno. Poleg samega Newtona sta se koncepta delovanja na velike razdalje kasneje držala še Coulomb in Ampere.

Po odkritju in študiji elektromagnetnega polja (glej Elektromagnetno polje) je bila teorija o delovanju na dolge razdalje zavrnjena, saj je bilo dokazano, da se medsebojno delovanje električno nabitih teles ne zgodi takoj, ampak s končno hitrostjo ( enaka hitrost svetloba: c = 3 108 m/s) in gibanje enega od nabojev povzroči spremembo sil, ki delujejo na druge naboje, ne takoj, ampak čez nekaj časa. Vstala nova teorija interakcijo kratkega dosega, ki se je nato razširila na vse ostale vrste interakcij. Po teoriji delovanja kratkega dosega se interakcija izvaja prek ustreznih polj, ki obkrožajo telesa in so neprekinjeno porazdeljena v prostoru (tj. polje je posrednik, ki prenaša delovanje enega telesa na drugega). Interakcija električnih nabojev - preko elektromagnetnega polja, univerzalna gravitacija- skozi gravitacijsko polje.

Danes fizika pozna štiri vrste temeljnih interakcij, ki obstajajo v naravi (po naraščajoči intenziteti): gravitacijske, šibke, elektromagnetne in močne interakcije.

Temeljne interakcije so tiste, ki jih ni mogoče reducirati na druge vrste interakcij.

Temeljne interakcije se razlikujejo po intenzivnosti in obsegu delovanja (glej tabelo 1.1). Polmer delovanja je največja razdalja med delci, nad katero lahko zanemarimo njihovo interakcijo.

Glede na polmer delovanja delimo temeljne interakcije na dolge (gravitacijske in elektromagnetne) in kratke (šibke in močne) (glej tabelo 1.1).

Gravitacijska interakcija je univerzalna: v njej sodelujejo vsa telesa v naravi – od zvezd, planetov in galaksij do mikrodelcev: atomov, elektronov, jeder. Njegovo območje delovanja je neskončno. Vendar pa so tako za osnovne delce mikrosveta kot za objekte makrosveta, ki nas obdajajo, sile gravitacijske interakcije tako majhne, ​​da jih lahko zanemarimo (glej tabelo 1.1). Opazen postane z večanjem mase medsebojno delujočih teles in zato določa vedenje nebesna telesa ter nastanek in razvoj zvezd.

Šibka povezanost je značilna za vse elementarni delci, razen fotona. Odgovoren je za večino reakcij jedrskega razpada in številne transformacije osnovnih delcev.

Elektromagnetna interakcija določa strukturo snovi, povezuje elektrone in jedra v atomih in molekulah, združuje atome in molekule v različne snovi. Določa kemijske in biološke procese. Elektromagnetna interakcija je vzrok za takšne pojave, kot so elastičnost, trenje, viskoznost, magnetizem in predstavlja naravo ustreznih sil. Na gibanje makroskopskih električno nevtralnih teles nima bistvenega vpliva.

Močna interakcija se pojavi med hadroni, ki držijo nukleone v jedru.

Leta 1967 so Sheldon Glashow, Abdus Salam in Steven Weinberg ustvarili teorijo, ki združuje elektromagnetne in šibke sile v eno elektrošibko silo z razponom 10-17 m, znotraj katerega razlika med šibkimi in elektromagnetnimi interakcijami izgine.

Trenutno je predstavljena teorija velikega združevanja, po kateri obstajata samo dve vrsti interakcij: enotna, ki vključuje močne, šibke in elektromagnetne interakcije, ter gravitacijska interakcija.

Obstaja tudi predpostavka, da so vse štiri interakcije posebni primeri manifestacije ene same interakcije.

V mehaniki je medsebojno delovanje teles drug na drugega označeno s silo (glej Sila). več splošna značilnost interakcija je potencialna energija(glej Potencialna energija).

Sile v mehaniki delimo na gravitacijske, elastične in torne. Kot je navedeno zgoraj, naravo mehanskih sil določajo gravitacijske in elektromagnetne interakcije. Samo te interakcije lahko štejemo za sile v smislu Newtonove mehanike. Močne (jedrske) in šibke interakcije se kažejo na tako majhnih razdaljah, da Newtonovi zakoni mehanike in z njimi koncept mehanska sila izgubijo svoj pomen. Zato je treba izraz "sila" v teh primerih razumeti kot "interakcija".