Развитие представлений о взаимодействии

Возникновение концепции взаимодействия(третий закон Ньютона)

В механистической картине мира возникает концепция взаимодействия тел (3 закон Ньютона). Он связывает равенством действие и противодействие (силы, с кот. действуют друг на друга взаимодействующие тела равны по величине и противоположны по направлению). Такие силы могут действовать между телами на расстоянии или при контакте. Каждая из сил взаимодействия приложена к тому телу, на которое она действует, т. е. эти силы приложены к разным телам. Следовательно, силы взаимодействия между телами не могут уравновесить (скомпенсировать) друг друга. Главное значение третьего закона Ньютона обнаруживается при исследовании движения системы материальных точек или системы тел. Этот закон позволяет доказать важные теоремы динамики и сильно упрощает изучение движения тел в тех случаях, когда их нельзя рассматривать как материальные точки. Третий закон сформулирован для точечных тел (материальных точек). Его применение для реальных тел, имеющих конечные размеры, требует уточнения и обоснования. В данной формулировке нельзя применять этот закон и в неинерциальных системах отсчета.

Электромагнитная КМ

В рамках ЭМКМ произошло открытие наряду с гравитационным второго фундаментального взаимодействия - электромагнитного. Максвелл связал оптику с электричеством и вывел фундаментальные законы, управляющие поведением электрических и магнитных полей и их взаимодействия с зарядами и магнитами.

На этой основе произошел возврат к концепции близкодействия (взаимодействие передается только через материального посредника (физическое поле) с конечной скоростью. Стал изучаться полевой механизм передачи взаимодействия (заряд создает соответствующее поле, которое влияет на соответствующие заряды)

СНКМ рассматривает 4 фундаментальных взаимодействия, преобладающих между объектами микромира, макромира и мегамира.

К фундаментальному взаимодействию относятся (в порядке возрастания интенсивности) гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное взаимодействия.

Гравитационноевзаимодействие существует между всеми элементарными частицами и обусловливает гравитационное притяжение всех тел друг к другу на любых расстояниях, оно пренебрежимо мало в физических процессах в микромире, но играет основную роль, например, в космологии. Слабое взаимодействие проявляется лишь на расстояниях около 10-18 м и обусловливает распадные процессы (например, бета-распад некоторых элементарных частиц и ядер).

Электромагнитное взаимодействие существует на любых расстояниях между элементарными частицами, имеющими электрический заряд или магнитный момент; в частности, оно определяет связь электронов и ядер в атомах, а также ответственно за все виды электромагнитных излучений.

Сильное взаимодействие проявляется на расстояниях около 10-15 м и обусловливает существование ядер атомов. Возможно, все виды взаимодействий фундаментальных имеют общую природу и служат различными проявлениями единого взаимодействия фундаментального. Это полностью подтверждается для электромагнитного и слабого взаимодействий фундаментальных (так называемое электрослабое взаимодействие). Гипотетическое объединение электрослабого и сильного взаимодействий называется Великим объединением, а всех четырех фундаментальных взаимодействий — суперобъединением; экспериментальная проверка этих гипотез требует энергий, пока недостижимых на современных ускорителях.

Таблица Виды взаимодействий в природе и классы элементарных частиц.

Вид взаимодействия (класс элементарных частиц)	Константа (постоянная взаимодействия)	Кванты поля
1.Сильное взаимодействие (адроны)		глюоны
2.Электромагнитное	1/137	фотоны
3.Слабое (лептоны)	10-14	промежуточные бозоныW, Z0
4.Гравитационное	10-39	гравитон ?

Частицы-переносчики полей можно классифицировать в соответствии с четырьмя типами взаимодействий в зависимости от величины переносимого ими взаимодействия и того, с какими частицами они осуществляются, что отражено в таблице.

1. Гравитационноевзаимодействие обусловливает устойчивость планетных, звездных и других макроскопических космических систем. Силы действуют на больших расстояниях между телами больших масс и всегда являются силами притяжения. В квантово-механическом подходе к гравитационному полю считается, что гравитационная сила переносится частицей со спином 2, которая называется гравитоном. Гравитон не обладает собственной массой и поэтому переносимая им сила является дальнодействующей.

2. Электромагнитные силы, которые действуют между электрически заряженными частицами, но не отвечают за взаимодействие электрически незаряженных частиц. В отличие от гравитационных сил, которые являются силами притяжения, одинаковые по знаку заряды отталкиваются, разноименно заряженные – притягиваются.

3. Слабое взаимодействие обусловливает процессы медленного (по сравнению с сильным) распада и превращения частиц и потому называется слабым взаимодействием. Оно отвечает за радиоактивность и существует между всеми частицами вещества с полуцелым спином, но в нем не участвуют частицы со спином 0, 1, 2 – фотоны и гравитоны. В 1967 г. английский физик-теоретик А. Салам и американский физик С. Вайнберг одновременно предложили теорию, которая объединила слабое взаимодействие с электромагнитным, высказав предположение о том, что наряду с фотоном существуют еще три частицы со спином 1, названные тяжелыми векторными бозонами (W⁺, W^- и Z⁰), которые и являются переносчиками слабого взаимодействия. Были предсказаны массы бозонов. Примерно через 10 лет полученные в теории предсказания подтвердились экспериментально.

1. Сильное или ядерное взаимодействие представляет собой взаимодействие четвертого типа, которое удерживает кварки внутри протона и нейтрона, а протоны и нейтроны внутри атомного ядра. Переносчиком сильного взаимодействия считается частица со спином 1, которая называется глюоном. Глюоны взаимодействуют только с кварками и с другими глюонами. У сильного взаимодействия есть одно необычное свойство – оно обладает конфайнментом (от англ. confinement – ограничение, удержание). Конфайнмент состоит в том, что частицы всегда удерживаются в бесцветных комбинациях. Один кварк не может существовать в свободном состоянии, потому что тогда он должен иметь цвет (красный, зеленый, синий). Следствием конфайнмента является то, что мы не можем наблюдать отдельный кварк или глюон. Сильное взаимодействие характеризуется еще одним свойством, которое называется асимптотической свободой. Это свойство состоит в том, что при высоких энергиях сильное взаимодействие заметно ослабевает и кварки, и глюоны начинают вести себя почти также, как свободные частицы.

Типы взаимодействий в природе и пути построения теории единого поля

После успешного объединения электромагнитного и слабого взаимодействий в единое электрослабое стали предприниматься попытки соединения этих двух видов с сильным взаимодействием. В результате получилась так называемая теория Великого объединения. Было предложено несколько вариантов “великих теорий”. Такие теории могут стать определенными шагами на пути создания единой теории поля, охватывающей все фундаментальные взаимодействия природы. Единая теория сил по существу представляет собой единую теорию материи.

Итог

Представления Аристотеля о взаимодействии: одностороннее воздействие движущего на движимое; первоначальная форма концепции близкодействия (передача воздействия только через посредников, при непосредственном контакте)

Механическая картина мира:

- возникновение концепции взаимодействия (третий закон Ньютона)

- открытие фундаментального взаимодействия (закон всемирного тяготения)

- принятие концепции дальнодействия (мгновенной передачи взаимодействия через пустоту на любые расстояния)

Электромагнитная картина мира:

- открытие второго фундаментального взаимодействия (электромагнитное)

- возврат к концепции близкодействия (взаимодействие передаётся только через материального посредника — физическое поле — с конечной скоростью)

- полевой механизм передачи взаимодействий (заряд создаёт соответствующее поле, которое действует на соответствующие заряды)

Современная научная картина мира:

- четыре фундаментальных взаимодействия (гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое)

- квантово-полевой механизм передачи взаимодействий (заряд испускает виртуальные частицы-переносчики соответствующего взаимодействия, поглощаемые другими аналогичными зарядами)

- частицы-переносчики фундаментальных взаимодействий (фотоны, гравитоны, глюоны, промежуточные векторные бозоны)

Фундаментальные взаимодействия, преобладающие между объектами:

- микромира (сильное, слабое и электромагнитное)

- макромира (электромагнитное)

- мегамира (гравитационное)