Фундаментальные взаимодействия: гравитационное, слабое, сильное, электромагнитное

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ЭКОНОМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Заочный факультет

Город

Каширская Карина Юрьевна

 

 

Курс  1 Специальность: Бухгалтерский учет, анализ и аудит_________ 

Занимаемая должность________________________________________

Наименование предприятия____________________________________

 
Контрольная работа №1  по    дисциплине: Концепции естествознания

Дата получения работы деканатом_______________________________

Дата  сдачи работы на кафедру___________________________________

Дата  рецензирования работы___________________________________

Дата  возвращения работы кафедрой в деканат____________________

 

 

 

Самара, 2012

 

Содержание

 

1 Фундаментальные  взаимодействия: гравитационное, слабое, сильное, электромагнитное...........................................................................................................3

Введение..........................................................................................................3

1. Гравитационное взаимодействие............................................................3
2. Слабое взаимодействие............................................................................5
3. Электромагнитное взаимодействие........................................................6
4. Сильное взаимодействие.........................................................................7

Заключение.....................................................................................................8

2 Электромагнитная картина  мира.......................................................................9   

        Введение.........................................................................................................9

2.1  Основные экспериментальные законы электромагнетизма................9

2.2  Теория электромагнитного поля Дж. Максвелла...............................11

2.3  Электронная теория Лоренца...............................................................12   Заключение....................................................................................................13

 

3 Основные предпосылки, задачи и проблемы эволюционной теории. Эволюционное учение Ч.Дарвина и его основные принципы.........................14

  

Введение........................................................................................................14   

3.1  Предпосылки и проблемы создания эволюционной теории.............14

3.2  Основные принципы эволюционного учения Ч. Дарвина.................16

Заключение....................................................................................................19

 

Список использованных источников...................................................................20

 

 

 

 

 

 

 

 

Вопрос №1 «Фундаментальные взаимодействия».

Введение

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.

 На настоящий момент 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 - переносчики взаимодействий. В процессе взаимодействия физический объект испускает эти 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  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 этих идей  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.

1. Гравитационное взаимодействие

«Гравитация первым из четырех фундаментальных взаимодействий стала

предметом научного исследования. Созданная в ХVII в. ньютоновская теория гравитации (закон всемирного тяготения) позволила впервые осознать истинную роль гравитации как силы природы.» [3] cтр.135.

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».[4] стр.71. 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 m1 и m2 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.

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».[4] стр.159. 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, то выполняется равенство:

 ,

где M - масса звезды,  с - скорость света, а 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». [2]стр.10.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.

2. 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.

Слабое взаимодействие в отличие  от гравитационного является короткодействующим. Это означает, что оно 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.

 О слабом взаимодействии можно говорить как о независимом виде фундаментальных взаимодействий, поскольку 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: α-, β- и γ-радиоактивных распадов. При этом α-распад обусловлен сильным взаимодействием, γ-распад - электромагнитным. Оставшийся β-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 по сути своей 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.

Удивительным свойством слабого взаимодействия является существование процессов, в которых проявляется зеркальная асимметрия. Процессы гравитационного, электромагнитного и сильного взаимодействия инвариантны относительно пространственной инверсии, осуществляющей зеркальное отражение. Говорят, что в таких процессах сохраняется некоторая 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».[1] стр.57.

3. Электромагнитное взаимодействие

Электромагнитное взаимодействие существует между всеми телами и  частицами, обладающими электрическим  зарядом. С современной точки  зрения электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами  осуществляется не прямо, а только посредством  электрического и магнитного полей, являющихся компонентами единого физического  объекта, называемого электромагнитным полем. Наиболее общее описание этого взаимодействия дает электромагнитная теория Максвелла, основанная на фундаментальных уравнениях, связывающих электрическое и магнитное поля.