Фундаментальные взаимодействия.

Основной причиной движения материи является взаимодействие.

Взаимодействие универсально, то есть присуще всем материальным объектам вне зависимости от их природы происхождения и системной организации.

В классической физике взаимодействие определяется силой, с которой один объект действует на другой.

Взаимодействующие объекты обмениваются энергией и импульсом – основными характеристиками их движения. Вплоть до конца XIX века в науке господствовала концепция дальнодействия - предложена Р.Декартом.

Ее суть в том, что взаимодействие передается через пустое пространство мгновенно даже на большом расстоянии. В дальнейшем, экспериментальные исследования показали несостоятельность данной концепции. В результате была сформулирована концепция близкодействия, которая говорит о том, что взаимодействия передаются посредством физических полей с конечной скоростью, не превышающей скорости света в вакууме.

Как показали физические исследования, все известные взаимодействия относятся к четырем видам фундаментальных взаимодействий:

гравитационному,

электромагнитному,

сильному

и слабому.

Гравитационное взаимодействиепроявляется во взаимном притяжении любых материальных объектов, имеющих массу. Оно передается посредством гравитационного поля и определяется фундаментальным законом всемирного тяготения: между двумя материальными точками массой m1 и m2, расположенными на расстоянии r друг от друга, действует сила F, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними

F = G [(m1x m2) : r2], где G – гравитационная постоянная.

Законом всемирного тяготения описывается падение материальных тел в поле Земли, движение планет Солнечной системы, звезд и т.д. В соответствии с квантовой теорией поля переносчиками гравитационного взаимодействия являются гравитоны – частицы с нулевой массой, кванты гравитационного поля.

Электромагнитное взаимодействие обуславливается электрическими зарядами и передается посредством электрического и магнитного полей. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное – при их движении. Изменяющееся магнитное поле порождает переменное электрическое поле, которое, в свою очередь, является источником переменного магнитного поля. Благодаря электромагнитному взаимодействию существуют атомы и молекулы, происходят химические превращения вещества. Различные агрегатные состояния вещества, трение и упругость определяются силами межмолекулярного взаимодействия, электромагнитными по своей природе. Электромагнитное взаимодействие описывается фундаментальными законами электростатики и электродинамики, такими как закон Кулона, закон Ампера, и – в обобщенном виде – электромагнитной теорией Максвелла, связывающей электрическое и магнитное поля. Согласно квантовой электродинамике, переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны – кванты электромагнитного поля с нулевой массой.

Сильное взаимодействиеобеспечивает связь нуклонов в ядре. Оно определяется ядерными силами, обладающими зарядовой независимостью, короткодействием, насыщением. Сильное взаимодействие отвечает за стабильность атомных ядер: чем сильнее взаимодействие нуклонов, тем стабильнее ядро, тем больше его удельная энергия связи. С увеличением числа нуклонов в ядре и, следовательно, размера ядра удельная энергия связи уменьшается, и ядро может распадаться, что и происходит с ядрами элементов, находящихся в конце таблицы Менделеева. Предполагается, что сильное взаимодействие передается глюонами – частицами, «склеивающими» кварки, входящие в состав протонов, нейтронов и других частиц.

В слабом взаимодействии участвуют все элементарные частицы, кроме фотона. Оно проявляется главным образом в процессах β-распада атомных ядер многих изотопов, свободных нейтронов. Принято считать, что переносчиками слабого взаимодействия являются вионы – частицы с массой примерно в 100 раз больше массы протонов и нейтронов.