Физические взаимодействия

ФИЗИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

ПРОБЛЕМЫ УЧЕНИЯ О ВЗАИМОДЕЙСТВИИ И ДВИЖЕНИИ

 Связь,  взаимодействие и движение представляют  собой важнейшие атрибуты материи,  без которых невозможно ее  существование. Взаимодействие обусловливает  соединение различных материальных  элементов в системы, системную  организацию материи. Все свойства  тел производны от взаимодействий, являются результатом их структурных  связей и внешних взаимодействий  между собой.

Взаимодействие  представляет собой развертывающийся во времени и пространстве процесс  воздействия одних объектов на другие путем обмена материей и движением. Взаимодействие выступает как движение материи, а любое движение включает в себя различные виды взаимодействия. По существу, эти понятия совпадают, хотя часто употребляются в разных контекстах. Когда мы говорим о  движении, то имеем в виду не столько  внутренние изменения, основанные на структурных  взаимодействиях, составляющих систему  элементов материи, сколько внешнее  пространственное перемещение тел, где взаимодействия как будто  не видно. Но если взглянуть глубже, то и при пространственном перемещении тел обязательно есть их взаимодействие с окружающей средой и материальными полями, в результате чего изменяются свойства тел. Не существует такого движения, в содержании которого не было бы взаимодействия элементов материи, так же, как и всякое взаимодействие выступает как определенное изменение и движение.

Взаимодействие  и движение являются формой существования  материи. Для всякого объекта  существовать - значит взаимодействовать, как-то проявлять себя по отношению  к другим телам, находиться с ними в объективных отношениях. Именно взаимодействие и движение являются объективными критериями существования  тел.

Следуя объективной  логике развития природы, можно выделить несколько форм движения: в неживой  природе, в живой природе и  в обществе. Физика занимается исследованием  процессов, происходящих в неживой  природе и являющихся фундаментом  гораздо более сложных процессов, происходящих на более высоких уровнях  организации материи.

Несомненные успехи физических наук за последнее  столетие привели к необычайному углублению наших знаний в этой области  бытия и особенно в теории взаимодействия и движения материи. Долгое время физика понимала движение как простое механическое движение, но затем было осознано, что оно является лишь частным случаем пространственного перемещения -любого изменения положения тела и его элементов в пространстве, связанного и с изменением во времени. Так, механическим является движение по определенной траектории, но существует бестраекторное пространственное перемещение типа сферического распространения фронта электромагнитных волн в полях, а также гравитационных волн в поле тяготения. Движению элементарных частиц тоже нельзя приписать определенную траекторию, как у материальной точки.

Но любые  формы движения, изучаемые физикой, есть проявление глубинных свойств  материи - так называемых фундаментальных  взаимодействий. Это силы гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого  взаимодействий.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ФИЗИЧЕСКИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ

В основе каждого  фундаментального взаимодействия лежит  изначально присущее веществу особое свойство, природу которого удастся  выяснить лишь в ходе дальнейших, все  более глубоких исследований природы  вещества и вакуума. Носителем способности  частиц к взаимодействиям, 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.

По современным  представлениям 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. Поэтому  притяжение или отталкивание частиц передается через среду, их разделяющую. Такой средой является вакуум. При  создании теории взаимодействия используют определенную модель процесса: зарядфермион создает вокруг частицы поле, порождающее присущие ему частицы-бозоны; по своей природе это поле близко к тому состоянию, которое физики приписывают вакууму. Иначе говоря, 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 своих 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. Очень  важным фактором является наличие массы  у частиц, в том числе и у  некоторых переносчиков взаимодействия (вопрос о происхождении массы  у частиц до сих пор не решен, предполагается, что она появляется в результате особой формы взаимодействия частиц со структурой вакуума) - от этого зависит  радиус действия соответствующих сил.

ГРАВИТАЦИОННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

Это самое  слабое из всех взаимодействий. В макромире  оно проявляет себя тем сильнее, чем крупнее массы взаимодействующих  тел, а в микромире оно теряется на фоне куда более могучих сил. Так, сила электростатического отталкивания электронов в 1040раз больше силы их гравитационного  притяжения. И только при экстремально высокой плотности вещества, равной 1094г/см3 (планковская плотность), гравитационные взаимодействия в микромире сравниваются по своей значимости с другими господствующими там силами.

В классической физике такое взаимодействие описывается  известным законом тяготения  Ньютона. Гравитационные взаимодействия обусловливают образование всех космических систем, а также концентрацию рассеянной в ходе эволюции звезд  и галактик материи и включение  ее в новые циклы развития. Скорость распространения гравитационных волн считается равной скорости света  в вакууме, но достоверно гравитационные волны еще не зарегистрированы измерительными устройствами.

В рамках полевых  представлений гравитационный заряд, согласно Эйнштейну, эквивалентен инертной массе вещества. Создаваемое им поле тяготения должно иметь свою бозонную частицу. Такую гипотетическую частицу  назвали гравитоном. Экспериментально она пока не найдена.

Движение  массивного тела под действием реальной силы должно вызывать возмущение своего же гравитационного поля, распространяющегося  со скоростью света в форме  гравитационной волны. Из-за ничтожной  малости гравитационной силы волна  имеет малую амплитуду. Даже такие  грандиозные космические события, как взрыв сверхновой или коллапс  массивной звезды, создают гравитационные волны, по оценкам лежащие за пределами  чувствительности современных регистрирующих приборов. Тем не менее американским физикам

Р. Хялси и Дж. Тейлору удалось косвенно подтвердить существование гравитационных волн, за что в 1993 г. они получили Нобелевскую премию.

Для гравитации не существует противоположной эквивалентной  силы отталкивания (антигравитации), все  античастицы обладают положительными значениями массы и энергии.

Итак, с точки  зрения квантовой теории гравитации, поле тяготения подвергается квантованию, квантами этого поля являются гравитоны. Силы тяготения являются результатом  постоянного обмена между телами гравитонами или гравитационными  волнами. Они переносят энергию, обладают пространственно-временными свойствами, импульсом и другими  характеристиками, присущими материальным объектам. Но в общей теории относительности  существует и противоположное понимание  гравитации - как проявления кривизны пространственно-временного континуума, тем самым гравитация сводится к  метрическим особенностям пространства-времени. Поле тяготения создает искривление  пространства, тем большее, чем больше тяготеющая масса.

Какая из этих теорий верна или хотя бы ближе  к истине, покажет будущее.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

Этот вид  взаимодействия также обладает универсальным  характером и существует между любыми телами, но, в отличие от гравитационного  взаимодействия, которое всегда выступает  в виде притяжения, электромагнитное взаимодействие может проявляться  и как притяжение (между разноименными  зарядами), и как отталкивание (между  одинаковыми зарядами).

Благодаря электромагнитным связям возникают атомы, молекулы и  макроскопические тела. Все химические реакции представляют собой проявление электромагнитных взаимодействий, являются результатами перераспределения связей между атомами в молекулах, перестройки  электронных оболочек атомов и молекул, а также количества и состава  атомов в молекулах разных веществ. Изучением этих процессов занимается химия.

На заре развития науки об электричестве электрические  и магнитные компоненты этого  взаимодействия рассматривались как  независимые, не связанные между  собой родством. Максвелл доказал, что  обе силы - это проявление одного и того же феномена. Так в науке  впервые было показано, что за внешним  различием природных сил может  скрываться их глубокая общность. Электродинамика  Максвелла явилась законченной  классической теорией электромагнетизма, сохраняющей свое значение и в  наши дни.

Современная физика создала более совершенную  и точную теорию электромагнетизма, в которой учтены и квантово-полевые  аспекты явления. Эта теория названа  квантовой электродинамикой. Так  же как физике неизвестна причина  существования массы, так же ей неизвестна и природа электромагнитного  заряда. Поэтому теория начинается с постулирования существования  этого заряда. Заряд создает поле, квантом которого служит безмассовый  бозон - фотон со спином, равным 1. Электрический  заряд проявляется в двух разновидностях: заряд, присущий электрону, назван отрицательным; заряд, присущий протону и позитрону, назван положительным. Взаимодействие зарядов обеспечивается обменом  виртуальных фотонов. В случае разноименных зарядов обмен создает эффект притяжения, а в случае одноименных - отталкивания. Во всех процессах с  участием электромагнитных зарядов  выполняется закон сохранения заряда, импульса, энергии и др.

СЛАБОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

Это третье фундаментальное взаимодействие, существующее только в микромире. Оно ответственно за превращение одних частиц-фермионов  в другие, при этом цвет слабо  взаимодействующих лептонов и кварков  не меняется.

Типичный  пример слабого взаимодействия - процесс  бета-распада, в ходе которого свободный  нейтрон в среднем за 15 минут  распадается на протон, электрон и  электронное антинейтрино. Распад вызывается превращением внутри нейтрона кварка аромата d в кварк аромата u. Вылетающий электрон обеспечивает сохранение суммарного электрического заряда, а антинейтрино позволяет сохранить суммарный  механический импульс системы.

Описываемые нами полевые представления о  слабом взаимодействии выглядят следующим  образом. Постулируется существование  фундаментального слабого заряда, присущего  некоторым частицам из класса лептонов и кварков, но не всем. Слабый заряд  образует три разновидности поля с тремя обменными бозонными  частицами, имеющими значительную массу. Слабое взаимодействие переносится  векторными бозонами и имеет очень  малый радиус действия порядка 10-15 см.

Первоначально созданная теория слабого взаимодействия оказалась несовершенной. Возникли подозрения, что трудности теории удастся преодолеть, если допустить, что слабое и электромагнитное взаимодействия - это разные проявления одного взаимодействия наподобие того, как электричество  и магнетизм - два проявления единой сущности. Эту идею в 60-х годах  воплотили в теорию С. Вайнберг и А. Салам. Теория единого электрослабого взаимодействия позволила решить главные проблемы, связанные со слабым взаимодействием.

Эта теория исходит из существования единого  фундаментального заряда, отвечающего  одновременно и за слабое, и за электромагнитное взаимодействия. При очень высоких температурах (энергиях) структура вакуума нарушается и не может помешать проявлению такого заряда. Тогда слабое и электромагнитное взаимодействия сливаются воедино, а заряд порождает общее поле, квантом которого служит безмассовая бозонная частица с бесконечным радиусом действия. При понижении температуры наступает критический момент, после которого вакуум переходит в иную, более упорядоченную модификацию, что меняет характер его взаимодействия с электрослабым зарядом. В результате заряд распадается на две части, одна из которых предстает как электромагнитный заряд, а другая - как слабый заряд. Безмассовая бозонная частица распадается на четыре составляющих. Выделяется бозон электромагнитного воздействия, он остается безмассовой частицей - фотоном. А трем полям слабого заряда соответствуют три тяжелых бозона, получивших свои массы в результате взаимодействия со структурой модифицированного вакуума.

Эта теория влечет ряд следствий, допускающих  экспериментальную проверку. Так, она  предсказала значения масс векторных  бозонов, которые были подтверждены в ходе эксперимента на ускорителе. Руководителям этого эксперимента была присуждена Нобелевская премия в 1984 г.