Физическая картина Мира

слабое взаимодействие оказаться  господствующей силой во Вселенной?

Все дело во второй удивительной черте  гравитации — в ее  универсальности.

Ничто во Вселенной не может избежать гравитации. Каждая  частица  испытывает

на себе действие гравитации и сама является источником гравитации,  вызывает

гравитационное притяжение. Гравитация возрастает  по  мере  образования  все

больших скоплений вещества. И  хотя  притяжение  одного  атома  пренебрежимо

мало, но результирующая сила притяжения со стороны всех  атомов  может  быть

значительной. Это проявляется  и в повседневной жизни: мы ощущаем  гравитацию

потому, что все атомы Земли  сообща притягивают нас. Зато  в  микромире  роль

гравитации  ничтожна.  Никакие  квантовые  эффекты  в  гравитации  пока   не

доступны наблюдению.

Кроме того, гравитация — далъподействующая  сила  природы.  Это  означает,

что,   хотя   интенсивность   гравитационного   взаимодействия   убывает   с

расстоянием, оно распространяется в  пространстве  и  может  сказываться  на

весьма  удаленных  от   источника   телах.   В    астрономическом   масштабе

гравитационное взаимодействие, как  правило, играет главную  роль.  Благодаря

дальнодействию гравитация позволяет  Вселенной  развалиться  на  части:  она

удерживает планеты на орбитах, звезды в галактиках, галактики в  скоплениях,

скопления в Метагалактике.

Сила гравитации, действующая между  частицами,  всегда  составляет  собой

силу   притяжения:   она   стремится   сблизить   частицы.    Гравитационное

отталкивание еще никогда не наблюдалось.

Пока еще нет однозначного ответа на вопрос,  чем  является  гравитация  —

неким полем, искривлением пространства-времени  или тем и другим  вместе.  На

этот счет существуют разные мнения и концепции. Поэтому  нет  и  завершенной

теории квантово-гравитационного  взаимодействия.

 

 

 

3.2 Электромагнетизм

 

По  величине  электрические  силы  намного  превосходят   гравитационные,

поэтому в отличие от слабого  гравитационного  взаимодействия  электрические

силы, действующие между телами  обычных  размеров,  можно  легко  наблюдать.

Электромагнетизм известен людям  с  незапамятных  времен  (полярные  сияния,

вспышки молнии и др.).

Не все  материалы  частицы  являются  носителями  электрического  заряда.

Электрически нейтральны, например, фотон и нейтрино.  В  этом  электричество

отличается от гравитации. Все материальные  частицы  создают  гравитационное

поле,  тогда  как  с  электромагнитным-  полем  связаны  только,  заряженные

частицы.

Долгое время загадкой была и  природа  магнетизма.  Как  и  электрические

заряды,  одноименные  магнитные  полюсы  отталкиваются,  а  разноименные   —

притягиваются.  В  отличие  от  электрических   зарядов   магнитные   полюсы

встречаются не по отдельности, а только парами —  северный  полюс и южный.

Хорошо известно, что в обычном  магнитном стержне один  конец  действует  как

северный полюс, а другой — как  южный.

Электрическая   и   магнитная   силы   (как   и   гравитация)    являются

недействующими, их действие ощутимо  на  больших  расстояниях от  источника.

Электромагнитное взаимодействие проявляется на  всех  уровнях  материи  —  в

мегамире, макромире и микромире. Как и гравитация,  оно  подчиняется  закону

обратных  квадратов.  Электромагнитное  поле  Земли  простирается  далеко  в

космическое  пространство,  мощное  поле  Солнца  заполняет  всю   Солнечную

систему;    существуют    и     галактические     электромагнитные     поля,

электромагнитное  взаимодействие  определяет  также   структуру   атомов   и

отвечает за  подавляющее  большинство  физических  и  химических  явлений  и

процессов (за исключением ядерных).  К  нему  сводятся  обычные  силы:  силы

упругости, трения,  поверхностного  натяжения,  им  определяются  агрегатные

состояния вещества, оптические явления  и др.

 

 

 

3.3 Слабое взаимодействие

 

К выявлению  существования  слабого  взаимодействия  физика  продвигалась

медленно. Слабое взаимодействие ответственно за распады частиц; и поэтому  к

его проявлением столкнулись  с  открытием  радиоактивности  и  исследованием

бета-распада.  У  бета-распада  обнаружилась  в  высшей   степени   странная

особенность. Исследования приводили  к выводу, что в этом распаде  как  будто

нарушается  один  из  фундаментальных  законов  физики  —  закон  сохранения

энергии. Казалось, что часть энергии куда-то исчезала. Чтобы «спасти»  закон

сохранения энергии, В. Паули предположил, что   при  бета-распаде  вместе  с

электроном вылетает, унося с  собой недостающую энергию,  еще  одна  частица.

Она — нейтральная и обладает необычайно  высокой  проникающей способностью,

вследствие  чего  ее  не  удавалось  наблюдать.  Э.  Ферми  назвал  частицу-

невидимку «нейтрино».

Но предсказание нейтрино — это  только  начало  проблемы,  её  постановка.

Нужно  было  объяснить  природу  нейтрино,   но   здесь   оставалось   много

загадочного. Дело в том, что электроны  и нейтрино испускались  нестабильными

ядрами. Но было неопровержимо, доказано, что внутри ядер нет  таких  частиц.

Как  же  они  возникали?  Было  высказано  предположение,  что  электроны  и

нейтрино  не  существуют  в  ядре  в  «готовом  виде»,  а  каким-то  образом

образуются  из  энергии   радиоактивного   ядра.   Дальнейшие   исследования

показали, что входящие в состав ядра нейтроны, предоставленные  самим  себе,

несколько минут распадаются  на протон,  электрон  и  нейтрино,  т.е.  вместо

одной частицы появляется три новые. Анализ приводит к выводу, что  известные

силы не могут вызвать такой  распад. Он,  может,  порождался  какой-то  иной,

неизвестной  силой.  Исследования  показали,  что  этой  силе  соответствует

некоторое слабое взаимодействие.

Слабое взаимодействие по величине значительно меньше всех взаимодействий,

кроме гравитационного,  и  в  системах,  где  оно  существует,  его  эффекты

оказываются в тени электромагнитного  сильного  взаимодействий.  Кроме  того,

слабое взаимодействие распространяется на очень незначительных  расстояниях.

Радиус слабого взаимодействия очень мал. Слабое взаимодействие  прекращается

на расстоянии, большем 1016 см от источника, и потому оно  не  может  влиять

на  макроскопические  объекты,  а  ограничивается  микромиром,   субатомными

частицами. Когда началось  лавинообразное  открытие  множества  нестабильных

субъядерных частиц, то обнаружилось, что  большинство  из  них  участвуют  в

слабом взаимодействии.

Теория слабого взаимодействия была создана в конце  60-х  гг.  С  момента

построения Максвеллом теории электромагнитного  поля  создание  этой  теории

явилось самым крупным шагом  на пути к единству физики.

 

 

3.4 Сильное взаимодействие

 

Последнее в ряду фундаментальных взаимодействий — сильное взаимодействие,

которое является  источником  огромной  энергии,  более  характерный  пример

энергии, высвобождаемой сильным взаимодействием, — Солнце. В  недрах  Солнца

и звезд  непрерывно:  протекают  термоядерные реакции,  вызываемые  сильным

взаимодействием. Но и человек научился высвобождать сильное  взаимодействие:

создана водородная  бомба,  сконструированы  и  совершенствуются  технологии

управляемой термоядерной реакции. К  представлению о  существовании  сильного

взаимодействия физика шла в  ходе изучения структуры атомного ядра.  Какая-то

сила должна удерживать положительно заряженные протоны в ядре,  не  позволяя

им разлетаться под действием  электростатического  отталкивания.  Гравитация

слишком слаба и не может это обеспечить;  очевидно,  необходимо  какое-то

взаимодействие, причем, более сильное,  чем  электромагнитное.  Впоследствии

оно  было  обнаружено.  Выяснилось,  что  хотя  по  своей  величине  сильное

взаимодействие  существенно  превосходит   все   остальные   фундаментальные

взаимодействия, но за пределами ядра  оно  не  ощущается.  Как  и  в  случае

слабого взаимодействия, радиус действия новой  силы  оказался  очень  малым:

сильное взаимодействие проявляется  на  расстоянии,  определяемом  размерами

ядра,  т.е.  примерно  1013  см.  Кроме  того,   выяснилось,   что   сильное

взаимодействие испытывают не все  частицы.  Так,  его  испытывают  протоны  и

нейтроны, но электроны, нейтрино и  фотоны  не  подвластны  ему.  В  сильном

взаимодействии участвуют обычно только тяжелые частицы. Оно ответственно  за

образование ядер и многие взаимодействия элементарных частиц.

Таким  образом,  в  фундаментальных  физических   взаимодействиях   чётко

прослеживается различие сил дальнодействующих  и близкодействующих.  С  одной

стороны,  взаимодействия  неограниченного  радиуса   действия   (гравитация,

электромагнетизм), а с другой —  малого  радиуса  (сильное  и  слабое).  Мир

физических процессов развертывается  в  границах  этих  двух  полярностей  и

является воплощением единства  предельно малого  и предельно большого  —

близкодействия в микромире  и дальнодействия во всей Вселенной.

 

 

 

4.1 Элементарные частицы

 

Элементарные частицы играю  огромную роль  в  общем  понимании  физической

картины мира. Представления об элементарных частицах задаёт материю.

Исторически   первыми   экспериментально   обнаруженными    элементарными

частицами  были  электрон,  протон,  а  затем  нейтрон.  При  таком  подходе

вещество  строилось  из  протонов,  нейтронов   и   электронов,   а   фотоны

осуществляли взаимодействие между  ними. Однако  скоро  выяснилось,  что  мир

устроен гораздо сложнее. Было установлено, что каждой частице  соответствует

своя античастица, отличающаяся от неё  лишь  знаком  заряда.  Для  частиц  с

нулевым зарядом античастица совпадает с частицей(например  фотон).  По  мере

развития экспериментальной ядерной  физики к  этим  частицам  добавилось  ещё

свыше 300 частиц!

Характеристиками субатомных частиц являются масса,  электрический  заряд,

спин, время жизни, магнитный момент,  пространственная  чётность,  лептонный

заряд, барионный заряд и т.д..

Лептоны

Хотя лептоны могут иметь  электрический заряд, а могут  и не иметь,  спин

у всех у них равен Ѕ. Среди  лептонов наиболее известен электрон.

Другой  хорошо  известный  лептон-нейтрино.  Нейтрино  являются  наиболее

распространёнными  частицами  во  Вселенной.  Вселенную  можно   представить

безбрежным нейтринным морем, в  котором изредка встречаются  острова  в  виде

атомов. Но, несмотря на такую распространённость нейтрино, изучать их  очень

сложно. Как мы уже отмечали, нейтрино почти не уловимы.  Не  участвуя  ни  в

сильном,  ни  в  электромагнитном  взаимодействиях,  они   проникают   через

вещества, как  будто  его  вообще  нет.  Нейтрино  –  это  некие  “призраки”

физического мира.

Адроны

Разновидностей адронов около  сотни. Тот факт,  что  адронов  существует