ВОПРОСЫ К ЭКЗАМЕНУ по ФИЗИКЕ ТСП 2 курс
1. Основные понятия динамики: масса, сила, инерция, инертность, законы Ньютона.
Масса - количественная мера инертности тела. Единица измерения массы в СИ называется килограмм (кг).
Сила - векторная физическая величина, являющаяся мерой интенсивности воздействия на данное тело других тел, а также полей.
Инерция - это свойство материального тела оказывать сопротивление изменению скорости его движения (как по величине, так и по направлению).
Инертность - свойство тела в большей или меньшей степени препятствовать изменению своей скорости относительно инерциальной системы отсчёта при воздействии на него внешних сил.
Законы Ньютона :
1. Материальная точка находится в покое или движется равномерно и прямолинейно, если на неё не действуют силы или действующие силы на точку уравновешены.
2.Ускорение, с которым движется тело, прямо пропорционально действующей на него силе, обратно пропорционально массе тела и по направлению совпадает с направлением действия силы.
3.Силы, с которыми материальные тела действуют друг на друга, равны по величине, противоположны по направлению и направлены по прямой, проходящей через эти тела.
2. Силы в природе .
гравитационных, электромагнитных, сильных (ядерных) и слабых.
Гравитационные силы
, или силы всемирного тяготения, действуют между всеми телами - все тела притягиваются друг к другу. Но это притяжение существенно обычно лишь тогда, когда хотя бы одно из взаимодействующих тел так же велико, как Земля или Луна. Иначе эти силы столь малы, что ими можно пренебречь.
Электромагнитные силы
действуют между частицами, имеющими электрические заряды. Сфера их действия особенно обширна и разнообразна. В атомах, молекулах, твердых, жидких и газообразных телах, живых организмах именно электромагнитные силы являются главными. Велика их роль в атомах.
Область действия ядерных сил
очень ограничена. Они заметны только внутри атомных ядер (т. е. на расстояниях порядка 10 -13 см). Уже на расстояниях между частицами порядка 10 -11 см (в тысячу раз меньших размеров атома - 10 -8 см) они не проявляются совсем.
Слабые взаимодействия
проявляются на еще меньших расстояниях, порядка 10 -15 см. Они вызывают взаимные превращения элементарных частиц, определяют радиоактивный распад ядер, реакции термоядерного синтеза.
Ядерные силы
- самые мощные в природе. Если интенсивность ядерных сил принять за единицу, то интенсивность электромагнитных сил составит 10 -2 , гравитационных - 10 -40 , слабых взаимодействий - 10 -16 .
Сильные (ядерные) и слабые взаимодействия проявляются на таких малых расстояниях, когда законы механики Ньютона, а с ними вместе и понятие механической силы теряют смысл.
В механике мы будем рассматривать только гравитационные и электромагнитные взаимодействия.
Силы в механике.
В механике обычно имеют дело с тремя видами сил - силами тяготения, силами упругости и силами трения.
Силы упругости и трения имеют электромагнитную природу.
3. Сила всемирного тяготения, вес, невесомость, свободное падение.
Сила тяготения
- сила взаимного притяжения, действующая между всеми материальными телами.
В 1682
году Ньютон открыл закон всемирного тяготения:
все тела притягиваются друг к другу, сила всемирного тяготения прямо пропорциональна произведению масс тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:
Вес - сила воздействия тела на опору (или подвес или другой вид крепления), препятствующую падению, возникающая в поле сил тяжести HYPERLINK " http:// ru . wikipedia . org / wiki /% D 0%92% D 0% B 5% D 1%81" HYPERLINK " http:// ru . wikipedia . org / wiki /% D 0%92% D 0% B 5% D 1%81" .
Невесо́мость - состояние, при котором сила взаимодействия тела с опорой (вес тела ), возникающая в связи с гравитационным притяжением, действием других массовых сил, в частности силы инерции, возникающей при ускоренном движении тела, отсутствует.
Формула:
Р=0, где Р - вес, то есть сила, с которой тело действует на опору или подвес.
Свобо́дное падéние - это равноускоренное движение под действием силы тяжести .
g - ускорение свободного падения, 9.81 (м/с²),
4. Движение тела под действием нескольких сил.
Обычно на тело действуют одновременно несколько сил. Наряду с силами тяжести и упругости почти всегда действует сила трения. Учитывать силу трения особенно необходимо в случаях, когда рассма-тривается движение транспорта.
Хорошо известно, что для избежания аварий следует сохранять определенную дистанцию между автомобилями; в дождливую погоду или в гололедицу она должна быть больше, чем в сухую погоду. Возникают вопросы: какой должна быть эта дистанция и как она зависит от скорости движения автомобиля? Чтобы на них ответить, рассмотрим задачу.
Современные достижения физики высоких энергий все больше
укрепляют представление, что многообразие свойств Природы обусловлено
взаимодействующими элементарными частицами. Дать неформальное определение
элементарной частицы, по-видимому, невозможно, поскольку речь идет о самых
первичных элементах материи. На качественном уровне можно говорить, что истинно
элементарными частицами называются физические объекты, которые не имеют
составных частей.
Очевидно, что вопрос об элементарности физических объектов -
это в первую очередь вопрос экспериментальный. Например, экспериментально
установлено, что молекулы, атомы, атомные ядра имеют внутреннюю структуру,
указывающую на наличие составных частей. Поэтому их нельзя считать элементарными
частицами. Сравнительно недавно открыто, что такие частицы, как мезоны и барионы , также обладают внутренней структурой и, следовательно, не
являются элементарными. В то же время у электрона внутренняя структура никогда
не наблюдалась, и, значит, его можно отнести к элементарным частицам. Другим
примером элементарной частицы является квант света - фотон.
Современные экспериментальные данные свидетельствуют, что
существует только четыре качественно различных вида взаимодействий, в которых
участвуют элементарные частицы. Эти взаимодействия называются фундаментальными,
то есть самыми основными, исходными, первичными. Если принять во внимание все
многообразие свойств окружающего нас Мира, то кажется совершенно удивительным,
что в Природе есть только четыре фундаментальных взаимодействия, ответственных
за все явления Природы.
Помимо качественных различий, фундаментальные взаимодействия
отличаются в количественном отношении по силе воздействия, которая
характеризуется термином интенсивность
. По мере увеличения интенсивности
фундаментальные взаимодействия располагаются в следующем порядке:
гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное. Каждое из этих
взаимодействий характеризуется соответствующим параметром, называемым константой
связи, численное значение которого определяет интенсивность взаимодействия.
Каким образом физические объекты осуществляют фундаментальные
взаимодействия между собой? На качественном уровне ответ на этот вопрос выглядит
следующим образом. Фундаментальные взаимодействия переносятся квантами. При этом
в квантовой области фундаментальным взаимодействиям отвечают соответствующие
элементарные частицы, называемые элементарными частицами - переносчиками
взаимодействий. В процессе взаимодействия физический объект испускает частицы -
переносчики взаимодействия, которые поглощаются другим физическим объектом. Это
ведет к тому, что объекты как бы чувствуют друг друга, их энергия, характер
движения, состояние изменяются, то есть они испытывают взаимное влияние.
В современной физике высоких энергий все большее значение
приобретает идея объединения фундаментальных взаимодействий. Согласно идеям
объединения, в Природе существует только одно единое фундаментальное
взаимодействие, проявляющее себя в конкретных ситуациях как гравитационное, или
как слабое, или как электромагнитное, или как сильное, или как их некоторая
комбинация. Успешной реализацией идей объединения послужило создание ставшей уже
стандартной объединенной теории электромагнитных и слабых взаимодействий. Идет
работа по развитию единой теории электромагнитных, слабых и сильных
взаимодействий, получившей название теории великого объединения. Предпринимаются
попытки найти принцип объединения всех четырех фундаментальных взаимодействий.
Мы последовательно рассмотрим основные проявления фундаментальных
взаимодействий.
Гравитационное взаимодействие
Это взаимодействие носит универсальный характер, в нем
участвуют все виды материи, все объекты природы, все элементарные частицы!
Общепринятой классической (не квантовой) теорией гравитационного взаимодействия
является эйнштейновская общая теория относительности. 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. Конечно, мы перечислили только небольшое число
примеров из огромного списка эффектов гравитации.
Согласно общей теории относительности, гравитация связана с
кривизной пространства-времени и описывается в терминах так называемой римановой
геометрии. 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 m 1 и m 2
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.
Из многих физических предсказаний общей теории
относительности отметим три. Теоретически установлено, что гравитационные
возмущения могут распространяться в пространстве в виде волн, называемых
гравитационными. Распространяющиеся слабые гравитационные возмущения во многом
аналогичны электромагнитным волнам. Их скорость равна скорости света, они имеют
два состояния поляризации, для них характерны явления интерференции и дифракции.
Однако в силу чрезвычайно слабого взаимодействия гравитационных волн с веществом
их прямое экспериментальное наблюдение до сих пор не было возможно. Тем не менее
данные некоторых астрономических наблюдений по потере энергии в системах двойных
звезд свидетельствуют о возможном существовании гравитационных волн в природе.
Теоретическое исследование условий равновесия звезд в рамках
общей теории относительности показывает, что при определенных условиях
достаточно массивные звезды могут начать катастрофически сжиматься. Это
оказывается возможным на достаточно поздних стадиях эволюции звезды, когда
внутреннее давление, обусловленное процессами, ответственными за светимость
звезды, не в состоянии уравновесить давление сил тяготения, стремящихся сжать
звезду. В результате процесс сжатия уже ничем не может быть остановлен.
Описанное физическое явление, предсказанное теоретически в рамках общей теории
относительности, получило название гравитационного коллапса. Исследования
показали, что если радиус звезды становится меньше так называемого
гравитационного радиуса
R g = 2GM / c 2 ,
где M - масса звезды, а c - скорость света, то для внешнего наблюдателя
звезда гаснет. Никакая информация о процессах, идущих в этой звезде, не может
достичь внешнего наблюдателя. При этом тела, падающие на звезду, свободно
пересекают гравитационный радиус. Если в качестве такого тела подразумевается
наблюдатель, то ничего, кроме усиления гравитации, он не заметит. Таким образом,
возникает область пространства, в которую можно попасть, но из которой ничего не
может выйти, включая световой луч. Подобная область пространства называется
черной дырой. Существование черных дыр является одним из теоретических
предсказаний общей теории относительности, некоторые альтернативные теории
гравитации построены именно так, что они запрещают такого типа явления. В связи
с этим вопрос о реальности черных дыр имеет исключительно важное значение. В
настоящее время имеются наблюдательные данные, свидетельствующие о наличии
черных дыр во Вселенной.
В рамках общей теории относительности впервые удалось
сформулировать проблему эволюции Вселенной. Тем самым Вселенная в целом
становится не предметом спекулятивных рассуждений, а объектом физической науки.
Раздел физики, предметом которого является Вселенная в целом, называется
космологией. В настоящее время считается твердо установленным, что мы живем в
расширяющейся Вселенной.
Современная картина эволюции Вселенной основывается на
представлении о том, что Вселенная, включая такие ее атрибуты, как пространство
и время, возникла в результате особого физического явления, называемого Большой
Взрыв, и с тех пор расширяется. Согласно теории эволюции Вселенной, расстояния
между далекими галактиками должны увеличиваться со временем, и вся Вселенная
должна быть заполнена тепловым излучением с температурой порядка 3 K. Эти
предсказания теории находятся в прекрасном соответствии с данными
астрономических наблюдений. При этом оценки показывают, что возраст Вселенной,
то есть время, прошедшее с момента Большого Взрыва, составляет порядка 10 млрд
лет. Что касается деталей Большого Взрыва, то это явление слабо изучено и можно
говорить о загадке Большого Взрыва как о вызове физической науке в целом. Не
исключено, что объяснение механизма Большого Взрыва связано с новыми, пока еще
неизвестными законами Природы. Общепринятый современный взгляд на возможное
решение проблемы Большого Взрыва основывается на идее объединения теории
гравитации и квантовой механики.
Понятие о квантовой гравитации
Можно ли вообще говорить о квантовых проявлениях гравитационного взаимодействия? Как принято считать, принципы квантовой механики носят универсальный характер и применимы к любому физическому объекту. В этом смысле гравитационное поле не представляет исключения. Теоретические исследования показывают, что на квантовом уровне гравитационное взаимодействие переносится элементарной частицей, называемой гравитон. Можно отметить, что гравитон является безмассовым бозоном со спином 2. Гравитационное взаимодействие между частицами, обусловленное обменом гравитоном, условно изображается следующим образом:
Частица испускает гравитон, в силу чего состояние ее
движения изменяется. Другая частица поглощает гравитон и также изменяет
состояние своего движения. В результате возникает воздействие частиц друг на
друга.
Как мы уже отмечали, константой связи, характеризующей
гравитационное взаимодействие, является ньютоновская константа G. Хорошо
известно, что G - размерная величина. Очевидно, что для оценки интенсивности
взаимодействия удобно иметь безразмерную константу связи. Чтобы получить такую
константу, можно использовать фундаментальные постоянные:
(постоянная Планка) и c (скорость света) - и ввести какую-нибудь эталонную
массу, например массу протона m p . Тогда безразмерная константа связи
гравитационного взаимодействия будет
Gm p 2 /(c) ~ 6·10 -39 ,
что, конечно, является очень малой величиной.
Интересно отметить, что из фундаментальных постоянных G, ,
c можно построить величины, имеющие размерность длины, времени, плотности,
массы, энергии. Эти величины называются планковскими. В частности, планковская
длина l Pl
и планковское время t Pl выглядят следующим образом:
Каждая фундаментальная физическая константа
характеризует определенный круг физических явлений: G - гравитационные явления,
- квантовые, c - релятивистские. Поэтому если в какое-то соотношение входят
одновременно G,
,
c, то это значит, что данное соотношение описывает явление, которое одновременно
является гравитационным, квантовым и релятивистским. Таким образом,
существование планковских величин указывает на возможное существование
соответствующих явлений в Природе.
Конечно, численные
значения l Pl и t Pl
очень малы по сравнению с характерными значениями величин в макромире. Но это
означает только то, что квантовогравитационные эффекты слабо проявляют себя. Они
могли быть существенны лишь тогда, когда характерные параметры стали бы
сравнимыми с планковскими величинами.
Отличительной
чертой явлений микромира является то обстоятельство, что физические величины
оказываются подверженными так называемым квантовым флуктуациям. Это означает,
что при многократных измерениях физической величины в определенном состоянии
принципиально должны получаться различные численные значения, обусловленные
неконтролируемым взаимодействием прибора с наблюдаемым объектом. Вспомним, что
гравитация связана с проявлением кривизны пространства-времени, то есть с
геометрией пространства-времени. Поэтому следует ожидать, что на временах
порядка t Pl и расстояниях порядка l Pl геометрия
пространства-времени должна стать квантовым объектом, геометрические
характеристики должны испытывать квантовые флуктуации. Другими словами, на
планковских масштабах нет никакой фиксированной пространственно-временной
геометрии, образно говоря, пространство-время представляет собой бурлящую пену.
Последовательная квантовая теория гравитации не построена. В силу чрезвычайно
малых значений l Pl , t Pl следует ожидать, что в любом
обозримом будущем не удастся поставить эксперименты, в которых проявили бы себя
квантовогравитационные эффекты. Поэтому теоретическое исследование вопросов
квантовой гравитации остается единственной возможностью продвижения вперед. Есть
ли, однако, явления, где квантовая гравитация могла бы оказаться существенной?
Да, есть, и мы о них уже говорили. Это гравитационный коллапс и Большой Взрыв.
Согласно классической теории гравитации, объект, подверженный гравитационному
коллапсу, должен сжиматься до сколь угодно малых размеров. Это означает, что его
размеры могут стать сравнимыми с l Pl , где классическая теория уже
неприменима. Точно так же в процессе Большого Взрыва возраст Вселенной был
сравним с t Pl и она имела размеры порядка l Pl . Это
означает, что понимание физики Большого Взрыва невозможно в рамках классической
теории. Таким образом, описание конечной стадии гравитационного коллапса и
начальной стадии эволюции Вселенной может быть осуществлено только с
привлечением квантовой теории гравитации.
Слабое взаимодействие
Это взаимодействие является наиболее слабым из фундаментальных взаимодействий, экспериментально наблюдаемых в распадах элементарных частиц, где принципиально существенными являются квантовые эффекты. Напомним, что квантовые проявления гравитационного взаимодействия никогда не наблюдались. 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. В качестве примера можно отметить процесс распада
лямбда-гиперона
на протон p и
отрицательно заряженный пион π − . По современным представлениям
нейтрон и протон не являются истинно элементарными частицами, а состоят из
элементарных частиц, называемых кварками.
Интенсивность
слабого взаимодействия характеризуется константой связи Ферми G F .
Константа G F размерна. Чтобы образовать безразмерную величину,
необходимо использовать какую-нибудь эталонную массу, например массу протона m p .
Тогда безразмерная константа связи будет
G F m p 2 ~ 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.
Почему можно говорить о слабом
взаимодействии как о независимом виде фундаментальных взаимодействий? Ответ
прост. Установлено, что есть процессы превращений элементарных частиц, которые
не сводятся к гравитационным, электромагнитным и сильным взаимодействиям.
Хороший пример, показывающий, что существуют три качественно различных
взаимодействия в ядерных явлениях, связан с радиоактивностью. Эксперименты
указывают на наличие трех различных видов радиоактивности:
-,
-
и
-радиоактивных
распадов. При этом
-распад
обусловлен сильным взаимодействием,
-распад
- электромагнитным. Оставшийся
-распад
не может быть объяснен электромагнитным и сильным взаимодействиями, и мы
вынуждены принять, что есть еще одно фундаментальное взаимодействие, названное
слабым. В общем случае необходимость введения слабого взаимодействия обусловлена
тем, что в природе происходят процессы, в которых электромагнитные и сильные
распады запрещены законами сохранения.
Хотя слабое
взаимодействие существенно сосредоточено внутри ядра, оно имеет определенные
макроскопические проявления. Как мы уже отмечали, оно связано с процессом
β-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 π + , π − ,
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 W ± -
и Z 0 -бозоны. Это заряженные
W ±
и нейтральная Z 0 элементарные частицы со спином 1 и массами, равными
по порядку величины 100 m p .
Электромагнитное взаимодействие
В электромагнитном взаимодействии участвуют все заряженные
тела, все заряженные элементарные частицы. В этом смысле оно достаточно
универсально. Классической теорией электромагнитного взаимодействия является
максвелловская электродинамика. В качестве константы связи принимается заряд
электрона e.
Если рассмотреть два покоящихся точечных заряда q 1
и q 2 , то их электромагнитное взаимодействие сведется к известной
электростатической силе. Это означает, что взаимодействие является
дальнодействующим и медленно спадает с ростом расстояния между зарядами.
Классические проявления электромагнитного взаимодействия
хорошо известны, и мы не будем на них останавливаться. С точки зрения квантовой
теории переносчиком электромагнитного взаимодействия является элементарная
частица фотон - безмассовый бозон со спином 1. Квантовое электромагнитное
взаимодействие между зарядами условно изображается следующим образом:
Заряженная частица испускает фотон, в силу чего состояние ее движения изменяется. Другая частица поглощает этот фотон и также изменяет состояние своего движения. В результате частицы как бы чувствуют наличие друг друга. Хорошо известно, что электрический заряд является размерной величиной. Удобно ввести безразмерную константу связи электромагнитного взаимодействия. Для этого надо использовать фундаментальные постоянные и c. В результате приходим к следующей безразмерной константе связи, называемой в атомной физике постоянной тонкой структуры α = e 2 /c ≈1/137.
Легко заметить, что данная константа значительно превышает
константы гравитационного и слабого взаимодействий.
С
современной точки зрения электромагнитное и слабое взаимодействия представляют
собой различные стороны единого электрослабого взаимодействия. Создана
объединенная теория электрослабого взаимодействия - теория
Вайнберга-Салама-Глэшоу, объясняющая с единых позиций все аспекты
электромагнитных и слабых взаимодействий. Можно ли понять на качественном
уровне, как происходит разделение объединенного взаимодействия на отдельные, как
бы независимые взаимодействия?
Пока характерные энергии
достаточно малы, электромагнитное и слабое взаимодействия отделены и не влияют
друг на друга. С ростом энергии начинается их взаимовлияние, и при достаточно
больших энергиях эти взаимодействия сливаются в единое электрослабое
взаимодействие. Характерная энергия объединения оценивается по порядку величины
как 10 2 ГэВ (ГэВ - это сокращенное от гигаэлектрон-вольт, 1 ГэВ = 10 9 эВ,
1 эВ = 1.6·10 -12 эрг = 1.6·10 19 Дж). Для сравнения
отметим, что характерная энергия электрона в основном состоянии атома водорода
порядка 10 -8
ГэВ, характерная энергия связи атомного ядра порядка 10 -2 ГэВ,
характерная энергия связи твердого тела порядка 10 -10 ГэВ. Таким
образом, характерная энергия объединения электромагнитных и слабых
взаимодействий огромна по сравнению с характерными энергиями в атомной и ядерной
физике. По этой причине электромагнитное и слабое взаимодействия не проявляют в
обычных физических явлениях своей единой сущности.
Сильное взаимодействие
Сильное взаимодействие ответственно за устойчивость
атомных ядер. Поскольку атомные ядра большинства химических элементов стабильны,
то ясно, что взаимодействие, которое удерживает их от распада, должно быть
достаточно сильным. Хорошо известно, что ядра состоят из протонов и нейтронов.
Чтобы положительно заряженные протоны не разлетелись в разные стороны,
необходимо наличие сил притяжения между ними, превосходящих силы
электростатического отталкивания. Именно сильное взаимодействие является
ответственным за эти силы притяжения.
Характерной чертой
сильного взаимодействия является его зарядовая независимость. Ядерные силы
притяжения между протонами, между нейтронами и между протоном и нейтроном по
существу одинаковы. Отсюда следует, что с точки зрения сильных взаимодействий
протон и нейтрон неотличимы и для них используется единый термин нуклон
,
то есть частица ядра.
Характерный масштаб сильного взаимодействия можно проиллюстрировать рассмотрев два покоящихся нуклона. Теория приводит к потенциальной энергии их взаимодействия в виде потенциала Юкавы
где величина r 0 ≈10 -13
см и совпадает по порядку величины с характерным размером ядра, g
- константа связи сильного взаимодействия. Это соотношение показывает, что
сильное взаимодействие является короткодействующим и по существу полностью
сосредоточено на расстояниях, не превышающих характерного размера ядра. При r >
r 0 оно практически исчезает. Известным макроскопическим проявлением
сильного взаимодействия служит эффект
-радиоактивности.
Следует, однако, иметь в виду, что потенциал Юкавы не является универсальным
свойством сильного взаимодействия и не связан с его фундаментальными аспектами.
В настоящее время существует квантовая теория сильного взаимодействия,
получившая название квантовой хромодинамики. Согласно этой теории, переносчиками
сильного взаимодействия являются элементарные частицы - глюоны. По современным
представлениям частицы, участвующие в сильном взаимодействии и называемые
адронами, состоят из элементарных частиц - кварков.
Кварки представляют собой фермионы со спином 1/2 и ненулевой массой. Наиболее
удивительным свойством кварков является их дробный электрический заряд. Кварки
формируются в три пары (три поколения дублетов), обозначаемые следующим образом:
| u | c | |
| d | s | b |
Каждый тип кварка принято называть ароматом, так что существуют
шесть кварковых ароматов. При этом u-, c-, t-кварки имеют электрический заряд
2/3|e| , а d-, s-, b-кварки - электрический заряд -1/3|e|, где e - заряд
электрона. Кроме того, существуют три кварка данного аромата. Они отличаются
квантовым числом, называемым цветом и принимающим три значения: желтый, синий,
красный. Каждому кварку соответствует антикварк, имеющий по отношению к данному
кварку противоположный электрический заряд и так называемый антицвет: антижелтый,
антисиний, антикрасный. Принимая во внимание число ароматов и цветов, мы видим,
что всего существуют 36 кварков и антикварков.
Кварки
взаимодействуют друг с другом посредством обмена восемью глюонами, которые
представляют собой безмассовые бозоны со спином 1. В процессе взаимодействия
цвета кварков могут изменяться. При этом сильное взаимодействие условно
изображается следующим образом:
Кварк, входящий в состав адрона, испускает глюон, в силу чего состояние
движения адрона изменяется. Этот глюон поглощается кварком, входящим в состав
другого адрона, и меняет состояние его движения. В результате возникает
взаимовоздействие адронов друг на друга.
Природа устроена
так, что взаимодействие кварков всегда ведет к образованию бесцветных связанных
состояний, которые как раз и являются адронами. Например, протон и нейтрон
составлены из трех кварков: p = uud, n = udd. Пион π − составлен из
кварка u и антикварка
: π − = u.
Отличительная черта кварк-кваркового взаимодействия через глюоны состоит в том,
что с уменьшением расстояния между кварками их взаимодействие ослабляется. Это
явление получило название асимптотической свободы и ведет к тому, что внутри
адронов кварки можно рассматривать как свободные частицы. Асимптотическая
свобода естественным образом вытекает из квантовой хромодинамики. Имеются
экспериментальные и теоретические указания на то, что с ростом расстояния
взаимодействие между кварками должно возрастать, в силу чего кваркам
энергетически выгодно находиться внутри адрона. Это означает, что мы можем
наблюдать только бесцветные объекты - адроны. Одиночные кварки и глюоны,
обладающие цветом, не могут существовать в свободном состоянии. Явление
удержания элементарных частиц, обладающих цветом, внутри адронов получило
название конфайнмента. Для объяснения конфайнмента предлагались различные
модели, однако последовательное описание, вытекающее из первых принципов теории,
до сих пор не построено. С качественной точки зрения трудности связаны с тем,
что, обладая цветом, глюоны взаимодействуют со всеми цветными объектами, в том
числе и друг с другом. По этой причине квантовая хромодинамика является
существенно нелинейной теорией и приближенные методы исследования, принятые в
квантовой электродинамике и электрослабой теории, оказываются не вполне
адекватными в теории сильных взаимодействий.
Тенденции объединения взаимодействий
Мы видим, что на квантовом уровне все фундаментальные
взаимодействия проявляют себя одинаковым образом. Элементарная частица вещества
испускает элементарную частицу - переносчик взаимодействия, которая поглощается
другой элементарной частицей вещества. Это ведет к взаимовлиянию частиц вещества
друг на друга.
Безразмерная константа связи сильного взаимодействия может
быть построена по аналогии с постоянной тонкой структуры в виде g2/(c)10.
Если сравнить безразмерные константы связи, то легко заметить, что самым слабым
является гравитационное взаимодействие, а затем располагаются слабое,
электромагнитное и сильное.
Если принять во внимание уже развитую объединенную теорию
электрослабых взаимодействий, называемую сейчас стандартной, и следовать
тенденции объединения, то возникает проблема построения единой теории
электрослабого и сильного взаимодействий. В настоящее время созданы модели такой
единой теории, получившие название модели великого объединения. Все эти модели
имеют много общих моментов, в частности характерная энергия объединения
оказывается порядка 10 15 ГэВ, что значительно превосходит характерную
энергию объединения электромагнитных и слабых взаимодействий. Отсюда вытекает,
что прямое экспериментальное исследование великого объединения выглядит
проблематичным даже в достаточно отдаленном будущем. Для сравнения отметим, что
наибольшая энергия, достижимая на современных ускорителях, не превышает 10 3
ГэВ. Поэтому если и будут получены какие-либо экспериментальные данные
относительно великого объединения, то они могут носить только косвенный
характер. В частности, модели великого объединения предсказывают распад протона
и существование магнитного монополя большой массы. Экспериментальное
подтверждение этих предсказаний было бы грандиозным триумфом тенденций
объединения.
Общая картина разделения единого великого взаимодействия на
отдельные сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия выглядит следующим
образом. При энергиях порядка 10 15 ГэВ и выше существует единое
взаимодействие. Когда энергия становится ниже 10 15
ГэВ, сильное и электрослабое взаимодействия отделяются друг от друга и
представляются как различные фундаментальные взаимодействия. При дальнейшем
уменьшении энергии ниже 10 2 ГэВ происходит отделение слабого и
электромагнитного взаимодействий. В результате на масштабе энергий, характерных
для физики макроскопических явлений, три рассматриваемых взаимодействия выглядят
как не имеющие единой природы.
Заметим теперь, что энергия 10 15
ГэВ отстоит не так далеко от планковской энергии
при которой становятся существенными квантовогравитационные эффекты. Поэтому
теория великого объединения с необходимостью ведет к проблеме квантовой
гравитации. Если далее следовать тенденции объединения, мы должны принять идею о
существовании одного всеобъемлющего фундаментального взаимодействия, которое
разделяется на отдельные гравитационное, сильное, слабое и электромагнитное
последовательно по мере понижения энергии от планковского значения до энергий,
меньших 10 2 ГэВ.
Построение такой грандиозной
объединяющей теории, по-видимому, неосуществимо в рамках системы идей, приведших
к стандартной теории электрослабых взаимодействий и моделям великого
объединения. Требуется привлечение новых, возможно кажущихся сумасшедшими,
представлений, идей, методов. Несмотря на очень интересные подходы, развитые в
последнее время, такие, как супергравитация и теория струн, проблема объединения
всех фундаментальных взаимодействий остается открытой.
Заключение
Итак, мы сделали обзор основных сведений, касающихся
четырех фундаментальных взаимодействий Природы. Кратко описаны микроскопические
и макроскопические проявления этих взаимодействий, картина физических явлений, в
которых они играют важную роль.
Везде, где это было
возможно, мы старались проследить тенденцию объединения, отметить общие черты
фундаментальных взаимодействий, привести данные о характерных масштабах явлений.
Конечно, излагаемый здесь материал не претендует на полноту рассмотрения и не
содержит многих важных деталей, необходимых для систематического изложения.
Подробное описание затронутых нами вопросов требует использования всего арсенала
методов современной теоретической физики высоких энергий и выходит за рамки
данной статьи, научно-популярной литературы. Нашей целью было изложение общей
картины достижений современной теоретической физики высоких энергий, тенденции
ее развития. Мы стремились вызвать интерес читателя к самостоятельному, более
подробному изучению материала. Конечно, при таком подходе неизбежны определенные
огрубления.
Предлагаемый список литературы позволяет
более подготовленному читателю углубить свое представление о вопросах,
рассмотренных в статье.
- Окунь Л.Б. a, b, g, Z. М.: Наука, 1985.
- Окунь Л.Б. Физика элементарных частиц. М.: Наука, 1984.
- Новиков И.Д. Как взорвалась Вселенная. М.: Наука, 1988.
- Фридман Д., ван. Ньювенхейзен П. // Успехи физ. наук. 1979. Т. 128. N 135.
- Хокинг С. От Большого Взрыва до черных дыр: Краткая история времени. М.: Мир, 1990.
- Девис П. Суперсила: Поиски единой теории природы. М.: Мир, 1989.
- Зельдович Я.Б., Хлопов М.Ю. Драма идей в познании природы. М.: Наука, 1987.
- Готтфрид К., Вайскопф В. Концепции физики элементарных частиц. М.: Мир, 1988.
- Coughlan G.D., Dodd J.E. The Ideas of Particle Physics. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1993.
Фундаментальные взаимодействия
В природе существует огромное множество природных систем и структур, особенности и развитие которых объясняется взаимодействием материальных объектов, то есть взаимным действием друг на друга. Именно взаимодействие – это основная причина движения материи и оно свойственно всем материальным объектам вне зависимости от их происхождения и их системной организации . Взаимодействие универсально, как и движение. Взаимодействующие объекты обмениваются энергией и импульсом (это основные характеристики их движения). В классической физике взаимодействие определяется силой, с которой один материальный объект действует на другой. Долгое время парадигмой была концепция дальнодействия – взаимодействие материальных объектов, находящихся на большом расстоянии друг от друга и оно передается через пустое пространство мгновенно . В настоящее время экспериментально подтверждена другая – концепция близкодействия – взаимодействие передается при помощи физических полей с конечной скоростью, не превышающей скорости света в вакууме. Физическое поле – особый вид материи, обеспечивающей взаимодействие материальных объектов и их систем (следующие поля: электромагнитное, гравитационное, поле ядерных сил – слабое и сильное). Источником физического поля являются элементарные частицы (электромагнитного – заряженные частицы), в квантовой теории взаимодействие обусловлено обменом квантами поля между частицами.
Различают четыре фундаментальных взаимодействия в природе: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное, которые определяют структуру окружающего мира.
Сильное взаимодействие (ядерное взаимодействие) – взаимное притяжение составных частей атомных ядер (протонов и нейтронов)и действует на расстоянии порядка 10 -1 3 см, передается глюонами. С точки зрения электромагнитного взаимодействия протон и нейтрон – разные частицы, так как протон электрически заряжен, а нейтрон - нет. Но с точки зрения сильного взаимодействия, эти частицы неразличимы, так как в стабильном состоянии нейтрон является нестабильной частицей и распадается на протон, электрон и нейтрино, но в рамках ядра он становится похожим по своим свойствам с протоном, поэтому и был введен термин «нуклон (от лат. nucleus - ядро)» и протон с нейтроном стали рассматриваться как два различных состояния нуклона. Чем сильнее взаимодействие нуклонов в ядре, тем стабильнее ядро, тем больше удельная энергия связи.
В стабильном веществе взаимодействие между протонами и нейтронами при не слишком высоких температурах усиливается, но если происходит столкновение ядер или их частей (нуклонов, обладающих высокой энергией) тогда происходят ядерные реакции, которые сопровождаются выделением огромной энергией.
При определенных условиях сильное взаимодействие очень прочно связывает частицы в атомные ядра – материальные системы с высокой энергией связи. Именно по этой причине ядра атомов являются весьма устойчивыми, их трудно разрушить.
Без сильных взаимодействий не существовали бы атомные ядра, а звезды и Солнце не могли бы генерировать за счет ядерной энергии теплоту и свет.
Электромагнитное взаимодействие передается при помощи электрических и магнитных полей. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное при их движении. Изменяющееся электрическое поле порождает переменное магнитное – это и есть источник переменного магнитного поля. Взаимодействие такого типа свойственно электрически заряженным частицам. Носителем электромагнитного взаимодействия является не имеющий заряда фотон - квант электромагнитного поля. В процессе электромагнитного взаимодействия электроны и атомные ядра соединяются в атомы, атомы - в молекулы. В определенном смысле это взаимодействие является основным в химии и биологии.
Около 90% информации об окружающем мире мы получаем через электромагнитную волну, так как различные агрегатные состояния вещества, трение, упругость и т.п. определяются силами межмолекулярного взаимодействия, которые по своей природе электромагнитные. Электромагнитные взаимодействия описываются законами Кулона, Ампера и электромагнитной теорией Максвелла.
Электромагнитное взаимодействие – это основа создания различных электроприборов, радиоприемников, телевизоров, компьютеров и т.д. Оно примерно в тысячу раз слабее сильного, но значительно более дальнодействующее.
Без электромагнитных взаимодействий не было бы атомов, молекул, макрообъектов, тепла и света.
3. Слабое взаимодействие возможно между различными частицами, кроме фотона, оно является короткодействующим и проявляется на расстояниях, меньших размера атомного ядра 10 -15 – 10 -22 см. Слабое взаимодействие слабее сильного и процессы при слабом взаимодействии протекают медленнее, чем при сильном. Отвечает за распад нестабильных частиц (напр., превращения нейтрона в протон, электрон, антинейтрино). Именно благодаря этому взаимодействию, большинство частиц нестабильны. Переносчики слабого взаимодействия – вионы, частицы с массой в 100 раз больше массы протонов и нейтронов. За счет этого взаимодействия светит Солнце (протон превращается в нейтрон, позитрон, нейтрино, испускаемое нейтрино обладает огромной проницающей способностью).
Без слабых взаимодействий не были бы возможны ядерные реакции в недрах Солнца и звезд, не возникали бы новые звезды.
4. Гравитационное взаимодействие самое слабое, не учитывается в теории элементарных частиц, так как на характерных для них расстояниях (10 -13 см) эффекты малые, а на ультрамалых расстояниях (10 -33 см) и при ультрабольших энергиях гравитация приобретает значение и начинают проявляться необычные свойства физического вакуума.
Гравитация (от лат. gravitas - «тяжесть») - фундаментальное взаимодействие является дальнодействующим (это означает, что как бы массивное тело ни двигалось, в любой точке пространства гравитационный потенциал зависит только от положения тела в данный момент времени) и ему подвержены все материальные тела. В основном гравитация играет определяющую роль в космических масштабах, Мегамире.
В рамках классической механики, гравитационное взаимодействие описывается законом всемирного тяготения Ньютона, который гласит, что сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы m 1 и m 2 , разделёнными расстоянием R , есть
Где G - гравитационная постоянная.
Без гравитационных взаимодействий не было галактик, звезд, планет, эволюции Вселенной.
От силы взаимодействия зависит время, в течение которого совершается превращение элементарных частиц (при сильном взаимодействии ядерные реакции происходят в течение 10 -24 – 10 -23 с., при электромагнитном - изменения осуществляются в течение 10 -19 – 10 -21 с., при слабом распад в течение 10 -10 с.).
Все взаимодействия необходимы и достаточны для построения сложного и разнообразного материального мира, из них по мнению ученых можно получить суперсилу (при очень высоких температурах или энергиях все четыре взаимодействия объединяются в одно ).
Какие силы природы называют фундаментальными? На каком принципе строятся фундаментальные взаимодействия? Возможно ли существование нового фундаментального взаимодействия? На эти и другие вопросы отвечает доктор физико-математических наук Дмитрий Казаков.
Со школьной физики мы сталкиваемся с понятием «сила». Силы бывают разные: есть сила притяжения, сила трения, сила качения, сила упругости. Существует множество разных сил. Не все из этих сил являются фундаментальными - очень часто сила является вторичным явлением. Например, сила трения является вторичным явлением - на самом деле это взаимодействие молекул. И даже взаимодействие молекул может быть вторичным. Например, в молекулярной физике есть силы Ван-дер-Ваальса. Эти силы являются вторичным следствием электромагнитных взаимодействий.
Хочется докопаться до самой фундаментальной силы: что же является фундаментальными силами в природе, которые определяют все, из которых строятся все вторичные силы? Электромагнитные силы, или электрические силы, являются фундаментальными взаимодействиями, как мы их понимаем сейчас. Закон Кулона, известный еще со школьной физики, - это фундаментальный закон, но он имеет свое обобщение, он вытекает из уравнений Максвелла. Уравнения Максвелла описывают вообще все электрические и магнитные силы в природе, поэтому электромагнитные взаимодействия являются фундаментальными силами природы.
Другой пример фундаментальных сил природы - это тяготение. Со школы известен закон всемирного тяготения Ньютона, который теперь уже получил обобщение в уравнениях Эйнштейна - сейчас у нас есть теория тяготения Эйнштейна. Сила тяготения - это тоже фундаментальные взаимодействия в природе. И когда-то казалось, что существуют только эти две фундаментальные силы. Но впоследствии поняли, что это не так. В частности, когда было открыто атомное ядро и возникла проблема понять, почему же частицы удерживаются внутри ядра и не разлетаются, было введено понятие ядерных сил. Эти ядерные силы были измерены, поняты, описаны. Но впоследствии оказалось, что они тоже нефундаментальны - ядерные силы в некотором смысле напоминают силы Ван-дер-Ваальса.
Истинно фундаментальными силами, обеспечивающими сильное взаимодействие, являются силы между кварками. взаимодействуют друг с другом, и как вторичный эффект друг с другом взаимодействуют протоны и нейтроны в ядре. Фундаментальным взаимодействием является взаимодействие кварков с помощью обмена глюонами - это третья фундаментальная сила в природе.
Но и тут история не заканчивается. Оказывается, что распады элементарных частиц - а все тяжелые частицы распадаются на более легкие - описываются новым взаимодействием, которое получило название слабого взаимодействия. Слабого - потому что сила этого взаимодействия заметно слабее, чем электромагнитные силы. Но оказалось, что теория слабого взаимодействия, которая первоначально существовала и очень хорошо описывала все распады, плохо работала при повышении энергии, и она была заменена на новую теорию слабого взаимодействия, которая оказалась совершенно универсальной и построенной на том же принципе, на каком построены все остальные взаимодействия.
В современном мире есть четыре фундаментальных взаимодействия, про пятое я еще тоже скажу.
Четыре фундаментальных взаимодействия - электромагнитное, сильное, слабое и гравитационное - строятся на одном принципе.
Этот принцип состоит в том, что сила между частицами возникает за счет обмена некоторым посредником, переносчиком взаимодействия.
Электромагнитное взаимодействие строится на основе обмена квантом света или квантом электромагнитных волн - это фотон. Фотон - это безмассовая частица, ею обмениваются заряженные частицы, и за счет этого обмена возникают взаимодействия между частицами, сила между частицами, закон Кулона тоже так описывается.
Другое взаимодействие - сильное. Там тоже есть посредник, частица, которой обмениваются кварки. Эти частицы называются глюонами, их восемь штук, это тоже безмассовые частицы.
Третья частица, третье взаимодействие - это слабое взаимодействие, и здесь тоже посредником выступают частицы, которые называются промежуточными векторными бозонами. Эти частицы, - их штуки, - массивны, то есть довольно тяжелые. Этой массой, тяжестью этих частиц и объясняется, почему слабое взаимодействие такое слабое.
Четвертое взаимодействие - гравитационное, и оно осуществляется путем обмена квантом гравитационного поля, его называют . Гравитон пока экспериментально не обнаружен, мы пока не вполне ощущаем и не вполне умеем описывать.
Все взаимодействия - это акт обмена некоторыми частицами. Здесь мы возвращаемся к . Всякое взаимодействие связано с симметрией. Симметрия говорит о том, сколько таких частиц и какова у них масса. Если симметрия точная - масса нулевая. У фотона масса 0, у глюона масса 0. Если симметрия нарушена - масса ненулевая. У промежуточных векторных бозонов масса ненулевая, там симметрия нарушена. Гравитационная симметрия не нарушена - у гравитона тоже масса 0.
Эти четыре фундаментальных взаимодействия объясняют все, что мы видим. Все остальные силы - это вторичный эффект этих взаимодействий. Но в 2012 году была обнаружена новая частица, которая стала очень знаменитой, - это так называемый . Хиггсовский бозон тоже является переносчиком взаимодействия между кварками и между лептонами. Поэтому сейчас уместно говорить о том, что появилась пятая сила, переносчиком которой является хиггсовский бозон. Здесь тоже симметрия нарушена - хиггсовский бозон является массивной частицей. Тем самым число фундаментальных взаимодействий - в физике частиц обычно употребляется слово не «сила», а «взаимодействие» - достигло пяти.
Есть ли новые взаимодействия? На самом деле мы этого не знаем. В физики элементарных частиц других взаимодействий нет, есть только пять. Но не исключено, что та модель, нами сейчас рассматриваемая и прекрасно описывающая все экспериментальные данные и все явления, которые мы наблюдаем в мире, возможно, все-таки неполна, и тогда, возможно, появятся какие-то новые силы и новые взаимодействия. Например, если существуют так называемые , то есть если существует новая симметрия в природе, то эта новая симметрия повлечет за собой появление новых частиц, которые являются посредниками между другими частицами, тем самым возникнет новая фундаментальная сила. Поэтому эта возможность до сих пор остается.
Интересно, что всякое новое взаимодействие всегда приводит к какому-то новому явлению. Скажем, если бы не было слабого взаимодействия, не было бы распада. Не было бы распада - мы бы не наблюдали ядерные реакции. Не было бы ядерных реакций - не светило бы Солнце. Не светило бы Солнце - на Земле не могла бы существовать жизнь. Так что наличие такого взаимодействия оказалось жизненно важным для нас.
Не будь сильного взаимодействия, не было бы стабильных атомных ядер. Не было бы ядер - не было бы атомов. Не было бы атомов - не было бы нас. То есть оказалось, что все силы вроде как необходимы. Вот электромагнитное взаимодействие: мы получаем энергию от Солнца - это лучи света, которые прилетают к нам от Солнца. Не будь его, Земля была бы холодной. Получается, все те взаимодействия, которые мы знаем, для чего-нибудь нужны. Хиггсовское взаимодействие с хиггсовским бозоном . Фундаментальные частицы получают массу за счет взаимодействия с полем Хиггса - без этого тоже жить нельзя. Про гравитационное взаимодействие я не говорю - мы бы улетели с поверхности планеты.
Все взаимодействия, которые есть в природе, которые сейчас открыты, являются жизненно важными, для того чтобы все, что мы понимаем и знаем, существовало.
А что было бы, если бы было какое-нибудь новое взаимодействие, которое еще не открыто? Вот еще один пример: протон в ядре стабилен, и очень важно, что он стабилен, иначе опять же не было бы жизни. Но экспериментально время жизни протона сейчас ограничено - 1034 лет. Это значит, что нет никакого запрета, чтобы протон распадался, но для этого нужна новая сила и новое взаимодействие. Есть теории, которые предсказывают распад протона, - в них есть более высокая группа симметрии, и в них есть новые взаимодействия, которые мы не знаем. Так ли это - это вопрос к эксперименту.
Все фундаментальные взаимодействия сейчас строятся по единому принципу, и в этом смысле есть единство природы. Иногда возникает вопрос: нельзя ли объяснить каким-либо образом, сколько взаимодействий есть в природе, то есть понять причину, почему их четыре или почему их пять, а может быть, еще есть больше? Существуют различные версии того, как можно было бы объяснить наличие определенного числа фундаментальных взаимодействий. Такие теории часто называют теориями Великого объединения. Эти теории объединяют между собой различные виды взаимодействий в одно. Это напоминает растущее дерево: есть единый ствол, потом он ветвится, и получаются различные ветви.
Идея состоит примерно в этом же: есть единый корень всех взаимодействий, единый ствол, а потом в результате нарушения симметрии этот ствол начинает ветвиться, и образуется несколько фундаментальных взаимодействий, которые мы экспериментально наблюдаем. Проверка этой гипотезы требует физики при очень высоких энергиях, которые недоступны современному эксперименту и, вероятно, никогда не будут доступны. Но зато можно обойти эту проблему. В конце концов, у нас есть естественный ускоритель - это Вселенная. Некоторые процессы, идущие во Вселенной, позволяют нам проверить смелые гипотезы о том, что есть единый корень всех взаимодействий.
Другая очень интересная задача в понимании взаимодействий в природе - понять, как гравитация соотносится со всеми остальными взаимодействиями. Гравитация стоит несколько особняком, хотя принцип построения теории очень похож. В свое время Эйнштейн пытался построить единую теорию гравитации и электромагнетизма. Тогда это казалось весьма реальным, но теории так и не получилось. Сейчас мы немного больше знаем. Мы знаем, что есть еще сильное взаимодействие, слабое взаимодействие, поэтому, если сейчас строить единую теорию, казалось бы, надо включить все эти взаимодействия вместе, но тем не менее такой единой теории до сих пор не создано, и до сих пор нам не удается объединить гравитацию с остальными взаимодействиями. Все взаимодействия, кроме гравитации, подчиняются законам квантовой физики - это квантовая теория. Все частицы - это кванты определенного поля. Квантовой гравитации пока не существует, пока ее создать не удается. В чем причина, что мы делаем не так, чего мы не понимаем - все это пока остается загадкой. Но количество фундаментальных взаимодействий, которое уже открыто, говорит о том, что, вероятно, какая-то единая схема существует.
В природе существует много разных видов сил: тяготения, тяжести, Лоренца, Ампера, взаимодействия неподвижных зарядов и т.д., но все они в конечном счете сводятся к небольшому числу фундаментальных (основных) взаимодействий. Современная физика считает, что существует в природе лишь четыре вида сил или четыре вида взаимодействий:
1) гравитационное взаимодействие (осуществляется через гравитационные поля);
2) электромагнитное взаимодействие (осуществляется через электромагнитные поля);
3) ядерное (или сильное) (обеспечивает связь частиц в ядре);
4) слабое (отвечает за процессы распада элементарных частиц).
В рамках классической механики имеют дело с гравитационными и электромагнитными силами, а также с упругими силами и силами трения.
1. Сила всемирного тяготения . Это сила, с которой два материальных тела притягиваются друг к другу. Сила тяготения зависит от расстояния и для двух материальных точек с массами т 1 и т 2 находящихся на расстоянии r друг от друга, выражается равенством
F =G m 1 m 2 /r 2 , (3)
где G - гравитационная постоянная (в СИ G = 6,673 10 -11 м 3 /кг с 2).
2. Сила тяжести . Это постоянная сила, действующая на любое тело, находящееся вблизи земной поверхности. Ясно, что данная сила является частным случаем силы всемирного тяготения, поэтому
F Т = G mМ/R 2 , (4)
где m – масса тела, М и R – масса и радиус Земли. Величина
g = G М/R 2
называется ускорением свободного падения . Тогда
F T = mg . (5)
Сила тяжести, как и величина g, изменяются с изменением широты и высоты над уровнем моря, масса же является для данного тела величиной неизменной. При решении большинства задач полагают g = 9,8 м/с 2 .
Для экспериментального определения массы данного тела можно исходить из равенства (1), куда масса входит как мера инертности и называется, поэтому инертной массой. Однако можно исходить и из равенства (4), куда масса входит как мера гравитационных свойств тела и называется соответственно гравитационной массой. В принципе ни откуда не следует, что инертная и гравитационная массы представляют собой одну и ту же величину. Однако целым рядом экспериментов установлено, что значения обеих масс совпадают с очень высокой степенью точности. Поэтому в механике пользуются единым термином «масса», определяя массу как количественную меру инертности тела и его гравитационных свойств.
3. Вес тела . Это сила P , с которой тело действует на опору или подвес. Не следует путать вес тела и силу тяжести, так как они приложены к разным телам. Кроме того, P = F T = mg только в состоянии покоя или прямолинейного равномерного движения. При решении задач Р, как правило, находится по третьему закону Ньютона.
4. Сила упругости .
Эта сила возникает в результате взаимодействия тел, сопровождающегося их деформацией. Она пропорциональна величине деформации и направлена против деформации.
В частности, для силы упругости пружины
F= k , (7)
где удлинение (или сжатие) пружины, k - коэффициент жесткости пружины (в СИ измеряется в Н/м).
Сила реакции опоры . Направлена по общей нормали к поверхностям соприкасающихся тел в точке их касания и приложена в этой точке (рис. 6а). Когда одна из соприкасающихся поверхностей является точкой (рис. 6, б), то реакция направлена по нормали к другой поверхности.
Рис.6 Рис.7
Сила натяжения нити . направлена вдоль нити к точке ее подвеса (рис.7).
5. Сила трения . Так кратко называют силу трения скольжения, действующую (при отсутствии жидкой смазки) на движущееся тело. Ее модуль определяется равенством
где µ - коэффициент трения, который чаще считают постоянным. N - нормальная реакция. Направлена против движения.
6. Сила трения покоя – это сила, действующая между соприкасающимися телами, находящимися в состоянии покоя, равная по величине и противоположно направленная силе, понуждающей тело к движению.
До возникновения скольжения сила трения покоя может иметь любое направление и принимать любое значение от нуля до некоторого максимального, при котором возникает скольжение: 
.
Силу трения покоя, равную по модулю внешней силе, при которой начинается скольжение данного тела по поверхности другого, называют максимальной силой трения покоя.
Французские физики Г.Амонтон и Ш.Кулон установили, что: максимальная сила трения покоя пропорциональна силе реакции опоры (нормального давления) и не зависит от площади соприкосновения трущихся тел
где m 0 – коэффициент трения покоя, зависит от физической природы соприкасающихся тел и
7. Сила трения качения. При качении тела по поверхности другого возникает особая сила – сила трения качения, которая препятствует качению тела. Сила терния качения при тех же материалах соприкасаемых тел всегда меньше силы терния скольжения. Этим пользуются на практике, заменяя подшипники скольжения шариковыми или роликовыми подшипниками. Кулон опытным путем установил для катящегося цилиндра радиуса R: , где m К – коэффициент трения качения, величина которого уменьшается с увеличением твердости материала и шероховатости его поверхности. Для катящегося обода .
8. Сила вязкого трения . Такая сила, зависящая от скорости, действует на тело при его медленном движении в очень вязкой среде (или при наличии жидкой смазки) и может быть выражена равенством
R= , (8)
где υ - скорость тела, - коэффициент сопротивления.
9. Сила аэродинамического (гидродинамического) сопротивления. Эта сила также зависит от скорости и действует на тело, движущееся в такой, например, среде, как воздух или вода. Обычно ее величину выражают равенством
R=0,5c x Sυ 2 ,
где - плотность среды; S - площадь проекции тела на плоскость, перпендикулярную направлению движения (площадь миделя), с х - безразмерный коэффициент сопротивления, определяемый обычно экспериментально и зависящий от формы тела и от того, как оно ориентировано при движении.
Упругие силы и силы трения определяются характером взаимодействия между молекулами вещества, которое имеет электромагнитное происхождение. Следовательно, они по своей природе имеют электромагнитные происхождения. Гравитационные и электромагнитные силы являются фундаментальными – их нельзя свести к другим, более простым силам. Упругие силы и силы трения не являются фундаментальными.
2.3. Преобразования Галилея.