Основные виды фундаментальных взаимодействия

     Введение.

     Издавна человек стремился познать и  понять окружающий его физический мир. До конца XIX в. считалось, что атомы представляют собой неделимые частицы вещества. После революционных открытий в физике, сделанных на рубеже прошлого и нынешнего столетий, было установлено, что атомы делимы, и имеют сложное строение. Они состоят из различных более мелких частиц, взаимодействующих друг с другом, благодаря чему возможны различные атомные изменения и превращения. Эти частицы были названы элементарными.

     Современные достижения физики высоких энергий  все больше укрепляют представление, что многообразие свойств Природы  обусловлено взаимо-действующими элементарными частицами. Оказывается, все бесконечное разнообразие физических процессов, происходящих в нашем мире, можно объяснить существованием в природе очень малого количества фундаментальных взаимодействий. В природе лишь четыре типа фундаментальных взаимодействий: слабое, сильное, электромагнитное и гравитационное. заимодействием их друг с другом объясняется упорядоченность расположения небесных тел во Вселенной. Именно они являются теми «стихиями», которые движут небесными телами, порождают свет и делают возможной саму жизнь.

     Таким образом, все процессы и явления  в природе, будь то падение яблока, взрыв сверхновой звезды, прыжок пингвина или радиоактивный распад веществ, происходят в результате этих взаимодействий. Структура вещества этих тел стабильна  благодаря связям между составляющими  его частицами.

     Ведутся поиски и других типов взаимодействий, как в явлениях микромира, так  и в космических масштабах, однако пока существование какого-либо другого  типа взаимодействия не обнаружено.

     Цель  данной работы: рассмотреть основные проявления фундаментальных взаимодействий в макромире.

     Работа  состоит из введения, двух частей, заключения и списка используемой литературы. Общий объем работы 12 страниц. 

     Глава I. Общая характеристика фундаментальных взаимодействий.

     Упорядоченность расположения небесных тел во Вселенной  объясняется их взаимодействием  друг с другом. Структура вещества этих тел стабильна благодаря  связям между составляющими его  частицами. Несмотря на то, что в веществе содержится большое число различных элементарных частиц, между ними существует лишь 4 вида фундаментальных взаимодействий: гравитационное,  слабое, электромагнитное и сильное.

     Фундаментальные взаимодействия — качественно различающиеся типы взаимодействия элементарных частиц и составленных из них тел. Они не могут быть сведены к другим, более простым видам взаимодействия.

     Важнейшей характеристикой фундаментального взаимодействия является радиус его  действия – это максимальное расстояние между частицами, за пределами которого их взаимодействием можно пренебречь.  При малом радиусе действия взаимодействие называют короткодействующим, при большом – дальнодействующим.

     Сильное и слабое взаимодействия являются короткодействующими. Их интенсивность быстро убывает  при увеличении расстояния между  частицами. Такие взаимодействия проявляются  на небольшом расстоянии, недоступном  для восприятия органов чувств. По этой причине эти взаимодействия были открыты позже других с помощью  сложных экспериментальных установок  лишь в ХХ веке.

     Электромагнитное  и гравитационное взаимодействия являются дальнодействующими. Такие взаимодействия медленно убывают при увеличении расстояния между частицами и  не имеют конечного радиуса действия.

     Рассмотрим  каждый вид взаимодействия более  подробно. 

     Глава II. Виды фундаментальных взаимодействий.

     2.1 Гравитационное взаимодействие.

     Гравитационное  взаимодействие – универсальное фундаментальное взаимодействие, характерное для всех материальных объектов вне зависимости от их природы. Переносчиками гравитационного взаимодействия являются гравитоны. Они не имеют массы покоя и движутся со скоростью света.

       Гравитация является самым слабым из четырёх типов фундаментальных взаимодействий. В приближении малых скоростей и слабого гравитационного взаимодействия описывается теорией тяготения Ньютона, в общем случае описывается общей теорией относительности Эйнштейна.

     В рамках классической механики гравитационное взаимодействие описывается законом  Ньютона, который гласит, что сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы m и M, разделёнными расстоянием R, пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния — то есть:

     Гравитационное  взаимодействие пропорционально массе  взаимодействующих тел. Из-за малости  массы элементарных частиц гравитационное взаимодействие между частицами  невелико по сравнению с другими  видами взаимодействия, поэтому гравитационное взаимодействие в процессах микромира  несущественно.

     При увеличении массы взаимодействующих  тел (т.е. при увеличении числа содержащихся в них частиц) гравитационное взаимодействие между телами возрастает пропорционально  массе. В связи с этим в макромире при рассмотрении движения планет, звёзд, галактик, а также движения небольших макроскопических тел в их полях гравитационное взаимодействие становится определяющим. Оно удерживает атмосферу, моря и всё живое и неживое, Землю, вращающуюся вокруг Солнца, и Солнце в пределах Галактики. Гравитационное взаимодействие играет главную роль в процессах образования и эволюции звёзд.

     Согласно  общей теории относительности, гравитация связана с кривизной пространства-времени. В настоящее время все экспериментальные  и наблюдательные данные о гравитации укладываются в рамки общей теории относительности. Однако данные о сильных  гравитационных полях по существу отсутствуют, поэтому экспериментальные аспекты  этой теории содержат много вопросов. Такая ситуация порождает появление  различных альтернативных теорий гравитации, предсказания которых практически  неотличимы от предсказаний общей теории относительности для физических эффектов в Солнечной системе, но ведут к другим следствиям в сильных гравитационных полях. 

     Если  пренебречь всеми релятивистскими эффектами и ограничиться слабыми стационарными гравитационными полями, то общая теория относительности сводится к ньютоновской теории всемирного тяготения. В этом случае, как известно, потенциальная энергия взаимодействия двух точечных частиц с массами m1 и m2 дается соотношением

     где r - расстояние между частицами, G - ньютоновская гравитационная постоянная, играющая роль константы гравитационного взаимодействия. Данное соотношение показывает, что потенциальная энергия взаимодействия V(r) отлична от нуля при любом конечном r и спадает к нулю очень медленно. По этой причине говорят, что гравитационное взаимодействие является дальнодействующим. 

     Таким образом,  гравитация определяет движение планет в звездных системах, играет важную роль в процессах, протекающих в звездах, управляет эволюцией Вселенной, в земных условиях проявляет себя как сила взаимного притяжения.

     2.2 Слабое взаимодействие.

     Слабое  взаимодействие, или слабое ядерное взаимодействие — одно из четырёх фундаментальных взаимодействий в природе. Оно ответственно, в частности, за бета-распад ядра. Это взаимодействие называется слабым, поскольку два других взаимодействия, значимые для ядерной физики (сильное и электромагнитное), характеризуются значительно большей интенсивностью. Однако оно значительно сильнее четвёртого из фундаментальных взаимодействий, гравитационного. Слабое взаимодействие является короткодействующим — оно проявляется на расстояниях, значительно меньших размера атомного ядра (характерный радиус взаимодействия 10−18 м[1]). Стандартная модель физики элементарных частиц описывает электромагнитное взаимодействие и слабое взаимодействие как разные проявления единого электрослабого взаимодействия.

     Слабое  взаимодействие выделяется с помощью  следующего правила: если в процессе взаимодействия участвует элементарная частица, называемая нейтрино (или антинейтрино), то данное взаимодействие является слабым.

     Типичный пример слабого взаимодействия - это бета-распад нейтрона

     n   p + e- +  e ,

      где n - нейтрон, p - протон, e- - электрон,  e - электронное антинейтрино. Следует, однако, иметь в виду, что указанное выше правило совсем не означает, что любой акт слабого взаимодействия обязан сопровождаться нейтрино или антинейтрино. Известно, что имеет место большое число безнейтринных распадов. 

       Интенсивность слабого взаимодействия характеризуется константой связи Ферми GF. Константа GF размерна. Чтобы образовать безразмерную величину, необходимо использовать какую-нибудь эталонную массу, например массу протона mp. Тогда безразмерная константа связи будет

     GFmp2 ~ 10-5.

     Видно, что слабое взаимодействие гораздо  интенсивнее гравитационного.  
    Слабое взаимодействие в отличие от гравитационного является короткодействующим. Это означает, что слабое взаимодействие между частицами начинает действовать, только если частицы находятся достаточно близко друг к другу. Если же расстояние между частицами превосходит некоторую величину, называемую характерным радиусом взаимодействия, слабое взаимодействие не проявляет себя. Экспериментально установлено, что характерный радиус слабого взаимодействия порядка 10-15 см, то есть слабое взаимодействие, сосредоточен на расстояниях меньше размеров атомного ядра. 

     Хотя слабое взаимодействие существенно сосредоточено внутри ядра, оно имеет определенные макроскопические проявления. Как мы уже отмечали, оно связано с процессом  -радиоактивности. Кроме того, слабое взаимодействие играет важную роль в так называемых термоядерных реакциях, ответственных за механизм энерговыделения в звездах.  

     Удивительнейшим свойством слабого взаимодействия является существование процессов, в которых проявляется зеркальная асимметрия. На первый взгляд кажется очевидным, что разница между понятиями левое и правое условна. Действительно, процессы гравитационного, электромагнитного и сильного взаимодействия инвариантны относительно пространственной инверсии, осуществляющей зеркальное отражение. Говорят, что в таких процессах сохраняется пространственная четность P. Однако экспериментально установлено, что слабые процессы могут протекать с несохранением пространственной четности и, следовательно, как бы чувствуют разницу между левым и правым. В настоящее время имеются твердые экспериментальные доказательства, что несохранение четности в слабых взаимодействиях носит универсальный характер, оно проявляет себя не только в распадах элементарных частиц, но и в ядерных и даже атомных явлениях. Следует признать, что зеркальная асимметрия представляет собой свойство Природы на самом фундаментальном уровне.  
    Несохранение четности в слабых взаимодействиях выглядело настолько необычным свойством, что практически сразу после его открытия теоретики предприняли попытки показать, что на самом деле существует полная симметрия между левым и правым, только она имеет более глубокий смысл, чем это ранее считалось. Зеркальное отражение должно сопровождаться заменой частиц на античастицы (зарядовое сопряжение C), и тогда все фундаментальные взаимодействия должны быть инвариантными. Однако позднее было установлено, что эта инвариантность не является универсальной. Существуют слабые распады так называемых долгоживущих нейтральных каонов на пионы  ,  , запрещенные, если бы указанная инвариантность реально имела место. Таким образом, отличительным свойством слабого взаимодействия является его CP-неинвариантность. Возможно, что это свойство ответственно за то обстоятельство, что вещество во Вселенной значительно превалирует над антивеществом, построенным из античастиц. Мир и антимир несимметричны. 

     Вопрос о том, какие частицы являются переносчиками слабого взаимодействия, долгое время был неясен. Понимания удалось достичь сравнительно недавно в рамках объединенной теории электрослабых взаимодействий - теории Вайнберга-Салама-Глэшоу. В настоящее время общепринято, что переносчиками слабого взаимодействия являются так называемые бозоны.