Фундаментальные взаимодействия

Было доказано, что сильное взаимодействие связывает частицы ядра приблизительно в 1000 раз сильнее, чем их расталкивают кулоновские силы. Следовательно, в ядре атома существует энергия, намного превосходящая его электромагнитную энергию. Эту энергию научились высвобождать в реакциях распада (расщепления) ядер тяжелых элементов – атомная энергия. Эта же энергия высвобождается в процессе слияния ядер легких элементов (ядерный синтез). Овладение первым видом ядерной энергии привело к созданию атомного оружия и атомной энергетики. Второй вид получения ядерной энергии в настоящее время используется только в термоядерном оружии (водородная бомба). Этот второй вид получения ядерной энергии лежит в основе энергетики Солнца и других звезд[50]. Сильное взаимодействие проявляет себя только в масштабах атомного ядра, т.е. на расстоянии порядка 10ֿ ¹ ³ см., за пределами которого ядерные силы стремительно убывают, так что практически неощутимы. Из формулы эквивалентности массы и энергии E=mc² Эйнштейна следует, что энергии связи частиц в атомном ядре должна соответствовать частица, обмен которой и выражается как внутриядерная связь. Японский физик Хидэки Юкава теоретически предсказал эту частицу. Вскоре она была открыта и получила название мезон (промежуточный). Обмен π -мезонами («пи –мезон» или «пион» - так была названа частица –переносчик сильного взаимодействия) между протонами в ядре атома и есть сильное взаимодействие[51]. Открытие мезонов позволило ответить и на второй из вопрос: очевидно, что за время неизмеримо меньшее 17 м. протон и нейтрон обмениваются мезоном так, что протон становится нейтроном, а нейтрон – протоном. Таким образом, структура ядра остается неизменной. Мезоны в ядре существуют виртуально. Это обозначает, что их энергия меньше, чем в соотношении неопределенностей для энергии. Однако виртуальные мезоны вполне могут стать реальными частицами, если им придать недостающую энергию. Существование π -мезонов доказано экспериментально. Исследование частиц атомного ядра привело к открытию другого вида фундаментальных сил – слабых взаимодействий.

Слабое - это взаимодействие, определяющее распады и взаимопревращения большинства элементарных частиц, и, прежде всего, нейтрона в свободном состоянии. Это же взаимодействие проявляется как естественная (бета – распад) и искусственная радиоактивность. Также как и сильное слабое взаимодействие короткодействующее – за пределами расстояния большими чем 10см. оно практически не проявляет себя. Слабое взаимодействие много слабее электромагнитного, сильного в абсолютном выражении и соизмеримо только с гравитационным.[52] Вместе с тем, большинство элементарных частиц охватываются этим взаимодействием. В частности, такая распространенная частица как нейтрино была открыта именно в результате анализа слабого взаимодействия. Экспериментально обнаружена и частица, осуществляющая слабое взаимодействие: W^±и Zº бозоны.

Изучение строения атома привело к вхождению в физику и, тем самым, в естественнонаучную картину мира двух новых типов взаимодействий: сильного и слабого. Наряду с уже бывшими известными гравитационным и электромагнитным эти взаимодействия были названы фундаментальными. Название фундаментальных эти взаимодействия получили вследствие того, что ими описываются все известные на сегодняшний день силы, существующие в природе. Познать физический закон природы с современной точки зрения обозначает – установить, особенности проявления того или иного фундаментального взаимодействия в исследуемом явлении. Любой процесс или явление, например, горение в конечном итоге объясняется тем видом фундаментального взаимодействия, которое лежит в его основе. Применительно к процессу горения (перераспределение электронных оболочек в молекулах вещества) – это электромагнитное взаимодействие.

Электромагнитное взаимодействие – самое разнообразно проявляющее себя в природе макромира. Это взаимодействие осуществляется путем обмена безмассовой частицей – фотоном, квантом света. В отличие от сильного и слабого это взаимодействие дальнодействующее: напряженность электромагнитного поля убывает пропорционально квадрату расстояния от его источника – электрического заряда. Электромагнитное взаимодействие проявляет себя как притяжение разноименных электрических зарядов и отталкивание одноименных. Квантовая теория, описывающая электромагнитное взаимодействие называется квантовой электродинамикой, она пришла на смену классической электродинамике Максвелла. В квантовой электродинамике электрон (единичный электрический заряд) рассматривается как постоянно излучающий и поглощающий фотоны – кванты электромагнитного поля. Испускаемые виртуальные фотоны образуют виртуальную электрон-позитронную пару, которая, аннигилируя, снова производит фотон. Так распространяется электромагнитная волна (поле).

Гравитационное взаимодействие проявляет себя как взаимное притяжение тел. Особое значение гравитационное взаимодействие имеет в мегамире. Для нас оно повседневно проявляет себя в качестве поля притяжения Земли (сила тяжести). Гравитационное взаимодействие описывается ОТО, квантовой теории гравитации пока не создано. Вместе с тем, считается, что переносчиком гравитационного взаимодействия является гравитон. Гравитон - рассчитанная теоретически частица, которую не удается получить в эксперименте. Гравитационное взаимодействие распространяется на любые расстояния, убывая пропорционально квадрату расстояния. В микромире гравитация настолько мала, что ей практически всегда можно пренебречь[53], но в то же время эта сила держит звезды в галактиках, а планеты у звезд. В некоторых случая свойства гравитационного взаимодействия связываются со свойствами самого пространства-времени (квантование пространства-времени). В настоящий момент гравитация представляет собой самую загадочную часть фундаментальной физической науки.

Каждому фундаментальному взаимодействию соответствует своя безразмерная[54] константа, которых, таким образом, тоже 4. Эти константы названы мировыми. Основная особенность мировых констант состоит в том, что они не выводимы теоретически, а получены из опыта. Невозможность теоретического вывода мировых констант свидетельствует о пробеле в теоретической физики, связанном с пониманием самих глубинных законов природы.

Итак, атом состоит из протон-нейтронного ядра и электронов, которые, согласно Бору, находятся в стационарных состояниях. Мир атома – мир квантовой теории, ее принципов. Нельзя наглядно представить себе атом, любая наглядная его модель – макрообраз микромира, а потому заранее ограничена. Для ядра атома особо значимыми является сильное и слабое взаимодействия. Электромагнитное взаимодействие проявляется в связях ядра и электронных оболочек.