Фундаментальные взаимодействия: гравитационное, слабое, сильное, электромагнитное

Поскольку в природе существуют 2 типа зарядов: положительный и отрицательный, то характер электромагнитного взаимодействия определяется знаком заряда. В отличие  от гравитационных сил, которые являются силами притяжения, одинаковые по знаку  заряды отталкиваются, разноименные - притягиваются.

Если рассмотреть два точечных заряда q1 и q2 , то их электромагнитное взаимодействие сведется к электростатической силе, определяемой известным законом  Ш.Кулона:

,

где k - коэффициент пропорциональности, k = 9· Н·м .

 Это означает, что взаимодействие  является дальнодействующим и  медленно спадает с ростом  расстояния между зарядами. 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, называемой в атомной физике  постоянной тонкой структуры,  α = 7,2973525698(24)·10⁻³ .

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».[1] стр.73. Создана объединенная теория электрослабого взаимодействия - теория Вайнберга-Салама-Глэшоу, объясняющая с единых позиций все аспекты электромагнитных и слабых взаимодействий.

Ее суть состоит в том, что  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 102 ГэВ (ГэВ - это сокращенное от гигаэлектрон-вольт, 1 ГэВ = эВ, 1 эВ = 1.6* Дж). Для сравнения отметим, что характерная энергия электрона в основном состоянии атома водорода порядка ГэВ, характерная энергия связи атомного ядра порядка ГэВ, характерная энергия связи твердого тела порядка 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.

4. 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.

Заключение

Итак, многие основополагающие концепции современного естествознания прямо или косвенно связаны с  описанием фундаментальных взаимодействий. Согласно современным представлениям, различают взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное, слабое. Все  встречающиеся в природе взаимодействия являются либо проявлением одного из указанных вида взаимодействия либо их комбинацией, на которых базируется взаимосвязь всех материальных объектов микро-, макро- и мегамира. От радиуса действия сил зависит масштаб явлений, в которых те или иные силы играют основную роль. И ни одно из них не является излишним. Все они в равной мере необходимы для «нормального функционирования» Вселенной.

Если бы не существовало взаимодействий, то частицы материи  двигались бы независимо; «не подозревая»  о существовании других частиц. Благодаря  взаимодействиям частицы как  бы обретают способность распознавать другие частицы и реагировать  на них, в результате чего рождается  коллективное поведение. Однако 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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вопрос №2 «Электромагнитная  картина мира».

Введение

Познавая окружающий мир, человек создает в своем сознании его определенную модель — картину мира. На каждом этапе своего развития человечество по-разному представляет себе мир, в котором оно живет. Поэтому в истории человечества существовали различные картины мира: мифологическая, религиозная, научная и др. Кроме того каждая отдельная наука также может формировать собственную картину мира, например, физическую, химическую или биологическую.

Современная же наука нацелена на построение единой, целостной картины  мира, изображая ее как взаимосвязанную «сеть бытия». Такая модель отражает зримый портрет мироздания, образно понятийную копию Вселенной, взглянув на которую, можно понять и увидеть связи действительности и свое место в ней. Она подразумевает понимание того, как устроен мир, какими законами он управляется, что лежит в его основе и как он развивается. Поэтому понятие «картина мира» занимает особое место в структуре естествознания.

1. Основные экспериментальные законы электромагнетизма

Рассмотрим электромагнитную картину мира со времен ее зарождения. Существенный вклад в эту картину  внесла физика.

«Электромагнитные явления были известны человечеству с древности. Само понятие «электрические явления» восходит к временам Древней Греции, когда древние греки пытались объяснить явление отталкивания двух кусков янтаря, натертых тряпочкой, друг от друга, а также притягивания ими мелких предметов.»[1] c.55. Впоследствии было установлено, что существует как бы два вида электричества: положительное и отрицательное.

Что касается магнетизма, то умение некоторых тел притягивать другие тела было известно еще в далекой древности, а позднее их назвали магнитами. Свойство свободного магнита устанавливаться в направлении «Север-Юг» уже во II в. до н.э. использовалось в Древнем Китае во время путешествий. Первое же в Европе опытное исследование магнита было проведено во Франции в XIII в. В результате было установлено наличие у магнита двух полюсов. В 1600 г. Гильбертом была выдвинута гипотеза о том, что Земля представляет собой большой магнит: этим и обусловлена возможность определения направления с помощью компаса.

XVIII-й век, ознаменовавшийся  становлением механической картины  мира, фактически положил начало  систематическим исследованиям  электромагнитных явлений. Так  было установлено, что одноименные  заряды отталкиваются, и появился простейший прибор – электроскоп. В середине XVIII в. была установлена электрическая природа молнии (исследования Б. Франклина, М. Ломоносова, Г. Рихмана, причем заслуги Франклина следует отметить особо: он является изобретателем молниеотвода; считается, что именно Франклин предложил обозначения "+" и "–" для электрических зарядов).

В 1759 г. английский естествоиспытатель Р. Симмер сделал заключение о том, что  в обычном состоянии любое  тело содержит равное количество разноименных зарядов, взаимно нейтрализующих друг друга. При электризации происходит их перераспределение.

В конце 19-го, начале 20-го века опытным путем было установлено, что электрический заряд состоит  из целого числа элементарных зарядов  е = 1,6*10^-19 Кл. Это наименьший существующий в природе заряд. В 1897 г. Дж. Томсоном была открыта и наименьшая устойчивая частица, являющаяся носителем элементарного отрицательного заряда. Это электрон, имеющий массу m_e = 9,1*10^-31 кг. Таким образом, электрический заряд является дискретным, т.е. состоящим из отдельных элементарных порций q = ± n*e, где n – целое число. В результате многочисленных исследований электрических явлений, предпринятых в XVIII – XIX вв., учеными-мыслителями был получен ряд важнейших законов и фундаментальных свойств электрического заряда, таких как:

1) «…в любой электрически изолированной системе алгебраическая сумма зарядов не изменяется, это утверждение выражает закон сохранения электрического заряда»;[5] c.9.

2) «…электрический заряд является релятивистски инвариантным: его величина не зависит от системы отсчета, а значит, не зависит от того, движется ли он или покоится»; [5] c.9.

3) закон взаимодействия  точечных зарядов, или закон  Кулона: модуль силы взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме прямо пропорционален произведению модулей этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними, что отражает формула:

,

где ε - относительная диэлектрическая  проницаемость среды (в вакууме ε = 1). Согласно этому закону силы Кулона существенны на расстояниях до 10-15 м (нижний предел). На меньших расстояниях начинают действовать ядерные силы (так называемое сильное взаимодействие). Что касается верхнего предела, то он стремится к бесконечности.

Исследование взаимодействия зарядов, проводившееся в XIX в. замечательно еще и тем, что вместе с ним  в науку было введено понятие  «электромагнитного поля». «В процессе формирования этого понятия на смену механической модели «эфира» пришла электромагнитная модель: электрическое, магнитное и электромагнитные поля трактовались первоначально как разные «состояния» эфира. Впоследствии необходимость в эфире отпала».[3] с.108. Пришло понимание того, что электромагнитное поле само есть определенный вид материи и для его распространения не требуется какая-то особая среда «эфир».

Доказательством этих утверждений  являются работы выдающегося английского  физика М. Фарадея. Поле неподвижных  зарядов получило название электростатического. Электрический заряд, находясь в пространстве, искажает его свойства, т.е. создает поле. Силовой характеристикой электростатического поля является его напряженность E. Электростатическое поле является потенциальным. Его энергетической характеристикой служит потенциал φ.

Природа магнетизма оставалась неясной до конца XIX в., а электрические  и магнитные явления рассматривались  независимо друг от друга, пока в 1820 г. датский физик Х. Эрстед не открыл магнитное поле у проводника с  током. Так была установлена связь  электричества и магнетизма. Силовой  характеристикой магнитного поля является магнитная индукция В. В отличие от незамкнутых линий электрического поля силовые линии магнитного поля замкнуты, т.е. оно является вихревым.

В течение сентября 1820 г. французский физик, химик и математик  А.М. Ампер разрабатывает новый  раздел науки об электричестве –  электродинамику.

«Законы Ома, Джоуля-Ленца стали одними из важнейших открытий в области электричества. Открытый Г. Омом в 1826 г. закон, согласно которому на участке цепи I=U/R и для замкнутой цепи I = ЭДС/(R + r), а также закон Джоуля-Ленца Q = I*U*t для количества тепла, выделяющегося при прохождении тока по неподвижному проводнику за время t, заметно расширили понятия об электричестве и магнетизме».[3] стр.95.

Исследования английского  физика М.Фарадея (1791-1867 гг.) придали  определенную завершенность изучению электромагнетизма. Зная об открытии Эрстеда  и разделяя идею о взаимосвязи  явлений электричества и магнетизма, Фарадей в 1821 г. поставил задачу «превратить  магнетизм в электричество». Через 10 лет экспериментальной работы он открыл закон электромагнитной индукции. Суть закона заключается в том, что  изменяющееся магнитное поле приводит к возникновению ЭДС индукции ЭДС_i = k*dФ_m/dt, где dФ_m/dt – скорость изменения магнитного потока сквозь поверхность, натянутую на контур. С 1831 по 1855 гг. выходит в свет в виде серий главный труд Фарадея «Экспериментальные исследования по электричеству».

Работая над исследованием  электромагнитной индукции, Фарадей  приходит к выводу о существовании  электромагнитного поля. Одним из первых, кто оценил работы Фарадея  и его открытия, был Дж. Максвелл, который развил идеи Фарадея, разработав в 1865 г. теорию электромагнитного поля, которая значительно расширила взгляды физиков на материю и привела к созданию электромагнитной картины мира.

2. Теория электромагнитного поля Дж. Максвелла

Концепция силовых линий, предложенная Фарадеем, долгое время  не принималась всерьез другими  учеными. Дело в том, что Фарадей, не владея достаточно хорошо математическим аппаратом, не дал убедительного  обоснования своим выводам на языке формул. («Это был ум, который  никогда не погрязал в формулах»  – сказал о нем А. Эйнштейн).

Блестящий математик и  физик Джеймс Максвелл берет под  защиту метод Фарадея, его идеи близкодействия и поля, утверждая, что идеи Фарадея могут быть выражены в виде обычных математических формул, и эти формулы сравнимы с формулами профессиональных математиков.

Теорию поля Дж. Максвелл разрабатывает в своих трудах «О физических линиях силы» (1861-1865 гг.) и «Динамическая теория поля» (1864-1865 гг.). В последней работе и была дана система знаменитых уравнений, которые, по словам Г.Герца составляют суть теории Максвелла.

Эта суть сводилась к тому, что «…изменяющееся магнитное поле создает не только в окружающих телах, но и в вакууме вихревое электрическое поле, которое, в свою очередь, вызывает появление магнитного поля. Таким образом, в физику была введена новая реальность – электромагнитное поле. Это ознаменовало начало нового этапа в физике, этапа, на котором электромагнитное поле стало реальностью, материальным носителем взаимодействия».[4] п.3.10.

Мир стал представляться электродинамической  системой, построенной из электрически заряженных частиц, взаимодействующих  посредством электромагнитного  поля.

«Система уравнений для электрических и магнитных полей, разработанная Максвеллом, состоит из 4-х уравнений, которые эквивалентны четырем утверждениям: