Общая характеристика физического взаимодействия

Описание процесса взаимодействия, раскрытие его механизма и форм проявления составляют одну из центральных задач всей фи­зики. В контексте этой задачи в науке сформировались два различ­ных способа описания механизма физического взаимодействия, основывающиеся на принципах дальнодействия и близкодействия.

Исторически первым был сформулирован принцип дальнодейст­вия. Как было отмечено ранее, его автором стал И. Ньютон, кото­рый с помощью данного принципа пытался объяснить механизм действия гравитационных сил. Согласно принципу дальнодействия взаимодействие между телами происходит мгновенно на любом расстоянии, без каких-либо материальных носителей и посредников (агентов взаимодействия).

В XIX в. был сформулирован принцип близкодействия, который в настоящее время существует в двух вариантах. Первый вариант был предложен М. Фарадеем, который считал, что взаимодействие меж­ду телами переносится полем от точки к точке с конечной скоро­стью. В XX в. принцип близкодействия был уточнен, в его совре­менном варианте утверждается, что каждое фундаментальное физи­ческое взаимодействие переносится соответствующим полем от точки к точке со скоростью, не превышающей скорость света в ва­кууме.

Обычно при физическом взаимодействии между двумя телами происходит частичный обмен импульсом и энергией. Если рассмот-реть этот процесс более детально, то мы увидим, что в один момент времени первый объект потерял доли импульса и энергии, а второй объект в следующий момент времени их приобрел. В промежутке между первым и вторым моментами времени импульс и энергия должны принадлежать какому-то третьему материальному объекту — посреднику, который должен переместиться от первого объекта ко второму, затратив на это какое-то время.

На небольших расстояниях этим дополнительным временем можно пренебречь. Так, когда мы нажимаем кнопку выключателя, свет для нас загорается практически мгновенно. Однако чтобы свет дошел от Солнца до Земли, требуется уже около 8 минут, т.е. время для переноса взаимодействия становится заметным.

Таким образом, с точки зрения современной науки физическое взаимодействие всегда подчиняется принципу близкодействия, т.е.

идет с некоторым запаздыванием. Но во многих задачах, описывающих механические процессы медленно движущимися объек­тами, этим запаздыванием можно пренебречь и приближенно счи­тать его нулевым. Следовательно, многие процессы можно описы­вать, используя приближенный принцип дальнодействия.

В XX в. физика смогла еще глубже проникнуть в тайны физиче­ского взаимодействия, понять его механизм на уровне процессов, происходящих в микромире. Также удалось свести многочисленные виды взаимодействий, известные в физике, к небольшому числу фундаментальных физических взаимодействий. Любые формы дви­жения, изучаемые физикой, есть проявление глубинных свойств материи — так называемых фундаментальных физических взаимо­действий. Это силы гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий.

В основе каждого фундаментального физического взаимодейст­вия лежит изначально присущее веществу особое свойство, природу которого удастся выяснить лишь в ходе дальнейших исследований природы вещества и вакуума. В качестве носителя способности час­тиц к взаимодействию, а также количественной мерой самого взаи­модействия служит понятие заряда. Каждая частица изначально об­ладает одним или несколькими зарядами, причем между собой взаимодействуют только однотипные заряды, а заряды разных ти­пов друг друга «не замечают». Наименьшее дискретное значение заряда — квант — называют единичным зарядом. Сила взаимодей­ствия во всех случаях пропорциональна произведению зарядов двух взаимодействующих частиц, более сложно она зависит от расстоя­ния между частицами.

Согласно современным представлениям любое взаимодействие происходит в соответствии с принципом близкодействия. Поэтому взаимодействие любого вида должно иметь своего физического агента, без посредника оно не протекает. В основе такого требова­ния лежит тот факт, что скорость передачи воздействия ограничена фундаментальным пределом — скоростью света. Воздействие пере­дается через среду, разделяющую взаимодействующие частицы. Та­кой средой является вакуум, который в обыденном представлении ассоциируется с пустотой. На самом деле вакуум — это реальная физическая система, поле с минимальной энергией. Из него можно получить все другие состояния поля.

Для создания модели физического взаимодействия нужно вспомнить, что материя может быть разделена на поле и вещество, которые соответственно представлены частицами-бозонами и частицами-фермионами. В процессе физического взаимодействия все­гда участвуют только частицы-фермионы (частицы вещества), а пе­реносят взаимодействие частицы-бозоны (кванты полей).

Таким образом, теория физического взаимодействия использует следующую модель процесса:

• заряд-фермион создает вокруг частицы поле, порождающее присущие ему частицы-бозоны. Заряд частицы возмущает ва­куум, и это возмущение с затуханием передается на опреде­ленное расстояние;

• частицы поля являются виртуальными — существуют очень короткое время и в эксперименте не могут быть обнаружены

• оказавшись в радиусе действия однотипных зарядов, две ре­альные частицы начинают стабильно обмениваться виртуаль­ными бозонами: одна частица испускает бозон и тут же по­глощает идентичный бозон, испущенный частицей-партнером и наоборот;

• обмен бозонами создает эффект притяжения или отталкива­ния частиц-хозяев.

Таким образом, каждой частице, участвующей в одном из фун­даментальных взаимодействий, соответствует своя бозонная частица — переносчик взаимодействия.