Laquelle des interactions fondamentales est la plus faible ? Types d'interactions fondamentales en physique

De nombreux concepts fondamentaux sciences naturelles modernes directement ou indirectement lié à la description interactions fondamentales. L’interaction et le mouvement sont les attributs les plus importants de la matière, sans lesquels son existence est impossible. L'interaction détermine l'unification de divers objets matériels en systèmes, c'est-à-dire organisation systémique matière. De nombreuses propriétés des objets matériels découlent de leur interaction et sont le résultat de leurs connexions structurelles entre eux et de leurs interactions avec l'environnement extérieur.

Désormais connu quatre types d’interactions fondamentales de base :

· gravitationnel;

· électromagnétique ;

· fort;

· faible.

Interaction gravitationnelle caractéristique de tous les objets matériels, quelle que soit leur nature. Elle consiste en l'attraction mutuelle des corps et est déterminée par les principes fondamentaux par la loi gravité universelle: entre deux corps de points il existe une force attractive directement proportionnelle au produit de leurs masses et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare. L'interaction gravitationnelle détermine la chute des corps dans le champ des forces gravitationnelles terrestres. La loi de la gravitation universelle décrit, par exemple, le mouvement des planètes système solaire, ainsi que d'autres objets macro. On suppose que l'interaction gravitationnelle est provoquée par certaines particules élémentaires - gravitons, dont l'existence n'a pas encore été confirmée expérimentalement.

Interaction électromagnétique associés à l'électricité et champs magnétiques. Un champ électrique apparaît en présence de charges électriques et un champ magnétique se produit lorsqu'elles se déplacent. Dans la nature, il y a à la fois des choses positives et charges négatives, qui détermine la nature de l’interaction électromagnétique. Par exemple, l’interaction électrostatique entre corps chargés, selon le signe de la charge, se réduit soit à une attraction, soit à une répulsion. Lorsque les charges se déplacent, selon leur signe et la direction de leur mouvement, une attraction ou une répulsion se produit entre elles. Divers états d'agrégation d'une substance, le phénomène de frottement, les propriétés élastiques et autres d'une substance sont déterminés principalement par les forces interaction intermoléculaire, qui est de nature électrostatique. L’interaction électromagnétique est décrite par les lois fondamentales de l’électrostatique et de l’électrodynamique : loi de Coulomb, loi d’Ampère, etc. description générale donne théorie électromagnétique Maxwell basé sur équations fondamentales, reliant les champs électriques et magnétiques.

Forte interaction assure la connexion des nucléons dans le noyau et détermine les forces nucléaires. On suppose que les forces nucléaires apparaissent lors de l'échange entre nucléons particules virtuelles – mésons.

Enfin, interaction faible décrit certains types de processus nucléaires. Son action est de courte durée et caractérise tous les types de transformations bêta.

Généralement pour analyse quantitative Les interactions répertoriées utilisent deux caractéristiques : constante sans dimension interaction, déterminant l’ampleur de l’interaction et le champ d’action (tableau 3.1).

Tableau 3.1

D'après le tableau. 3.1, il est clair que la constante d’interaction gravitationnelle est la plus petite. Son champ d’action, comme celui de l’interaction électromagnétique, est illimité. Dans la vision classique, l’interaction gravitationnelle ne joue pas un rôle significatif dans les processus du micromonde. Cependant, dans les processus macroéconomiques, il joue un rôle décisif. Par exemple, le mouvement des planètes du système solaire se produit en stricte conformité avec les lois de l'interaction gravitationnelle.

L'interaction forte est responsable de la stabilité des noyaux et ne s'étend que dans la taille du noyau. Plus les nucléons d'un noyau interagissent fortement, plus celui-ci est stable, plus son énergie de liaison est grande, déterminée par le travail qui doit être effectué pour séparer les nucléons et les éloigner les uns des autres à des distances telles que l'interaction devient égal à zéro. À mesure que la taille du noyau augmente, l’énergie de liaison diminue. Ainsi, les noyaux des éléments à la fin du tableau périodique sont instables et peuvent se désintégrer. Ce processus est souvent appelé désintégration radioactive.

L'interaction entre les atomes et les molécules est principalement nature électromagnétique. Cette interaction explique la formation de différents états agrégés de la matière : solide, liquide et gazeux. Par exemple, entre les molécules d'une substance à l'état solide, l'interaction sous forme d'attraction est beaucoup plus forte qu'entre les mêmes molécules à l'état gazeux.

La capacité d'interagir est la propriété la plus importante et la plus intégrale de la matière. Ce sont les interactions qui assurent l'unification de divers objets matériels du méga-, macro- et micro-monde en systèmes. Tous célèbres science moderne les forces se réduisent à quatre types d’interactions, dites fondamentales : gravitationnelles, électromagnétiques, faibles et fortes.

Interaction gravitationnelle est devenu pour la première fois l’objet d’étude de la physique au XVIIe siècle. La théorie de la gravité de I. Newton, basée sur la loi de la gravitation universelle, est devenue l'une des composantes de la mécanique classique. La loi de la gravitation universelle stipule qu'il existe entre deux corps une force d'attraction directement proportionnelle au produit de leurs masses et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare (2.3). Toute particule matérielle est une source d’influence gravitationnelle et en fait l’expérience sur elle-même. À mesure que la masse augmente, les interactions gravitationnelles augmentent, c'est-à-dire que plus la masse des substances en interaction est grande, plus les forces gravitationnelles sont fortes. Les forces de gravité sont des forces d’attraction. DANS Dernièrement les physiciens ont suggéré l'existence d'une répulsion gravitationnelle, qui a agi dès les premiers instants de l'existence de l'Univers (4.2), mais cette idée n'a pas encore été confirmée. L'interaction gravitationnelle est la plus faible connue actuellement. La force gravitationnelle agit très longues distances, son intensité diminue avec l'augmentation de la distance, mais ne disparaît pas complètement. On pense que le porteur de l’interaction gravitationnelle est l’hypothétique graviton de particule. Dans le micromonde, l'interaction gravitationnelle ne joue pas un rôle important, mais dans les macro- et surtout les méga-processus, elle joue un rôle de premier plan.

Interaction électromagnétique est devenu le sujet d'étude en physique du 19ème siècle. La première théorie unifiée Champ électromagnétique Le concept de J. Maxwell (2.3) a été introduit. Contrairement à force gravitationnelle les interactions électromagnétiques n'existent qu'entre particules chargées : le champ électrique est entre deux particules chargées stationnaires, le champ magnétique est entre deux particules chargées en mouvement. Les forces électromagnétiques peuvent être des forces attractives ou répulsives. Les particules probablement chargées se repoussent, les particules chargées de manière opposée s'attirent. Les porteurs de ce type d'interaction sont les photons. L’interaction électromagnétique se manifeste dans les micro-, macro- et méga-mondes.

Au milieu du 20ème siècle. a été créé électrodynamique quantique– une théorie de l’interaction électromagnétique qui satisfaisait aux principes de base théorie des quanta et la théorie de la relativité. En 1965, ses auteurs S. Tomanaga, R. Feynman et J. Schwinger reçoivent le prix Nobel. Électrodynamique quantique décrit l'interaction des particules chargées - électrons et positons.

Faible interaction n'a été découvert qu'au XXe siècle, dans les années 1960. construit théorie générale faible interaction. La force faible est associée à la désintégration des particules, sa découverte n'a donc suivi qu'après la découverte de la radioactivité. En observant désintégration radioactive particules, des phénomènes ont été découverts qui semblaient contredire la loi de conservation de l'énergie. Le fait est qu’au cours du processus de désintégration, une partie de l’énergie a « disparu ». Le physicien W. Pauli a suggéré que pendant le processus de désintégration radioactive d'une substance, une particule dotée d'un pouvoir de pénétration élevé est libérée avec un électron. Cette particule fut plus tard nommée « neutrino ». Il s'est avéré qu'en raison d'interactions faibles, les neutrons qui composent le noyau atomique se désintègrent en trois types de particules : des protons chargés positivement, des électrons chargés négativement et des neutrinos neutres. L'interaction faible est beaucoup plus petite que l'interaction électromagnétique, mais plus grande que l'interaction gravitationnelle, et contrairement à elles, elle se propage sur de petites distances - pas plus de 10 à 22 cm. C'est pourquoi pendant longtemps une interaction faible n’a pas été observée expérimentalement. Les porteurs de l’interaction faible sont les bosons.

Dans les années 1970 une théorie générale de l'interaction électromagnétique et faible a été créée, appelée théorie de l'interaction électrofaible. Ses créateurs S. Weinberg, A. Salam et S. Glashow ont reçu en 1979 prix Nobel. La théorie de l’interaction électrofaible considère deux types d’interactions fondamentales comme les manifestations d’une seule et plus profonde. Ainsi, à des distances supérieures à 10-17 cm, l'aspect électromagnétique des phénomènes prédomine, à des distances plus faibles de au même degré Les aspects électromagnétiques et faibles sont importants. La création de la théorie en question signifiait que, dans la physique classique du XIXe siècle, dans le cadre de la théorie de Faraday-Maxwell, l'électricité, le magnétisme et la lumière étaient réunis dans le dernier tiers du XXe siècle. complété par le phénomène d’interaction faible.

Forte interaction n'a également été découvert qu'au 20e siècle. Il retient les protons dans le noyau d’un atome, les empêchant de se disperser sous l’influence des forces répulsives électromagnétiques. Une forte interaction se produit à des distances ne dépassant pas 10 à 13 cm et est responsable de la stabilité des noyaux. Les noyaux des éléments à la fin du tableau périodique sont instables car leur rayon est grand et, par conséquent, l'interaction forte perd de son intensité. De tels noyaux sont sujets à une désintégration appelée radioactivité. Une interaction forte est responsable de l’éducation noyaux atomiques, seules les particules lourdes y participent : les protons et les neutrons. Les interactions nucléaires ne dépendent pas de la charge des particules ; les porteurs de ce type d'interaction sont les gluons. Les gluons sont combinés dans un champ de gluons (semblable à un champ électromagnétique), grâce auquel une forte interaction se produit. En termes de puissance, l'interaction forte surpasse les autres interactions connues et constitue une source d'énergie énorme. Exemple forte interaction effectuer du thermo réactions nucléaires sur le Soleil et d'autres étoiles. Le principe de l’interaction forte a été utilisé pour créer des armes à hydrogène.

La théorie de l'interaction forte s'appelle chromodynamique quantique. Selon cette théorie, l'interaction forte est le résultat de l'échange de gluons, qui aboutit à la connexion des quarks dans les hadrons. La chromodynamique quantique continue de se développer et, bien qu'elle ne puisse pas encore être considérée comme un concept complet de l'interaction forte, cette théorie physique repose néanmoins sur une base expérimentale solide.

DANS physique moderne la recherche continue théorie unifiée, ce qui permettrait d'expliquer les quatre types d'interactions fondamentales. La création d’une telle théorie signifierait également la construction d’un concept unifié particules élémentaires. Ce projet s'appelait la « Grande Unification ». La croyance selon laquelle une telle théorie est possible repose sur le fait qu'à de courtes distances (moins de 10-29 cm) et à haute énergie(plus de 1014 GeV) les interactions électromagnétiques, fortes et faibles sont décrites de la même manière, ce qui signifie que leur nature est commune. Cependant, cette conclusion n’est encore que théorique ; elle n’a pas encore pu être vérifiée expérimentalement.

Diverses théories concurrentes de la Grande Unification interprètent différemment la cosmologie (4.2). Par exemple, on suppose qu’au moment de la naissance de notre Univers, il existait des conditions dans lesquelles les quatre interactions fondamentales se manifestaient de la même manière. Créer une théorie expliquant les quatre types d'interactions sur une base unifiée nécessitera une synthèse de la théorie des quarks, de la chromodynamique quantique, cosmologie moderne et l'astronomie relativiste.

Cependant, la recherche d'une théorie unifiée de quatre types d'interactions fondamentales ne signifie pas que l'émergence d'autres interprétations de la matière soit impossible : découverte de nouvelles interactions, recherche de nouvelles particules élémentaires, etc. Certains physiciens expriment des doutes sur la possibilité d'une théorie unifiée. Ainsi, les créateurs de la synergie I. Prigogine et I. Stengers dans le livre « Time, Chaos, Quantum » écrivent : « l'espoir de construire une telle « théorie du tout » à partir de laquelle il serait possible de déduire Description complète réalité physique, devra être abandonné » et justifient leur thèse par les lois formulées dans le cadre de la synergie (7.2).

Les lois de conservation ont joué un rôle important dans la compréhension des mécanismes d'interaction des particules élémentaires, de leur formation et de leur désintégration. En plus des lois de conservation opérant dans le macromonde (la loi de conservation de l'énergie, la loi de conservation de l'impulsion et la loi de conservation du moment cinétique), de nouvelles lois ont été découvertes dans la physique du micromonde : la loi de conservation de baryon, charges de leptons, étrangeté, etc.

Chaque loi de conservation est associée à une sorte de symétrie dans le monde environnant. En physique, la symétrie est comprise comme l'invariance, l'immuabilité d'un système par rapport à ses transformations, c'est-à-dire par rapport aux changements dans la série. conditions physiques. La mathématicienne allemande Emma Noether a établi un lien entre les propriétés de l'espace et du temps et les lois de conservation physique classique. théorème fondamental physique mathématique, appelé théorème de Noether, affirme que de l'homogénéité de l'espace découle la loi de conservation du moment, de l'homogénéité du temps - la loi de conservation de l'énergie, et de l'isotropie de l'espace - la loi de conservation du moment cinétique. Ces lois sont de nature fondamentale et sont valables pour tous les niveaux d’existence de la matière.

La loi de conservation et de transformation de l’énergie stipule que l’énergie ne disparaît pas et ne réapparaît pas, mais passe seulement d’une forme à une autre. La loi de conservation de la quantité de mouvement postule la constance de la quantité de mouvement systeme ferme au fil du temps. La loi de conservation du moment cinétique stipule que le moment cinétique d'un système en boucle fermée reste constant dans le temps. Les lois de conservation sont une conséquence de la symétrie, c'est-à-dire l'invariance, l'immuabilité de la structure des objets matériels par rapport aux transformations ou aux changements dans les conditions physiques de leur existence.

Il existe 4 types d’interactions fondamentales qui ne sont pas réductibles les unes aux autres.

Les particules élémentaires participent à tous les types d'interactions connues.

Considérons-les par ordre décroissant d'intensité :

1) fort,

2) électromagnétique,

3) faible

4) gravitationnel.

Forte interaction se produit au niveau des noyaux atomiques et représente attraction mutuelle leurs composants. Il fonctionne à une distance d'environ 10 à 13 cm.

Il en résulte des interactions fortes systèmes matériels Avec haute énergie liaisons - noyaux atomiques.

C’est pour cette raison que les noyaux des atomes sont très stables et difficiles à détruire. Interaction électromagnétique

environ mille fois plus faible qu'un puissant, mais agit sur des distances beaucoup plus grandes. Ce type d'interaction est caractéristique des particules chargées électriquement. Au cours du processus d'interaction électromagnétique, les électrons et les noyaux atomiques se combinent en atomes et les atomes en molécules. D’une certaine manière, cette interaction est fondamentale en chimie et en biologie. Faible interactionéventuellement entre différentes particules. Il s'étend sur une distance de l'ordre de 10 -15 -10 -22 cm et est principalement associé à la désintégration des particules. Selon l’état actuel des connaissances, la plupart des particules sont instables précisément en raison de la faible interaction. A titre d'exemple, que se passe-t-il dans le noyau atomique

transformation neutronique , en proton, électron et antineutrino.

Interaction gravitationnelle

le plus faible et n'est pas pris en compte dans la théorie des particules élémentaires, car il donne des effets extrêmement faibles. À l’échelle cosmique, l’interaction gravitationnelle revêt une importance décisive.

Son champ d'action n'est pas limité.

Le temps pendant lequel se produit la transformation des particules élémentaires dépend de la force d'interaction.

Les réactions nucléaires associées à de fortes interactions se produisent en 10 -24 -10 -23 s.

Sans interactions fortes, les noyaux atomiques n'existeraient pas et les étoiles et le Soleil ne seraient pas capables de générer de l'énergie en raison de énergie nucléaire chaleur et lumière.

Sans interactions électromagnétiques, il n’y aurait ni atomes, ni molécules, ni objets macroscopiques, ni de chaleur et de lumière.

Sans interactions faibles, les réactions nucléaires dans les profondeurs du Soleil et des étoiles ne seraient pas possibles, les explosions de supernova ne se produiraient pas et les éléments lourds nécessaires à la vie ne pourraient pas se propager dans tout l'Univers.

Sans interaction gravitationnelle, non seulement il n'y aurait pas de galaxies, d'étoiles, de planètes, mais l'Univers tout entier ne pourrait pas évoluer, puisque la gravité est un facteur unificateur qui assure l'unité de l'Univers dans son ensemble et son évolution.

les quatre interactions fondamentales nécessaires pour créer des éléments complexes et divers à partir de particules élémentaires monde matériel, peut être obtenu à partir d'une interaction fondamentale - super pouvoirs .

Il a été théoriquement prouvé qu’à des températures (ou énergies) très élevées, les quatre interactions se combinent en une seule.

À une énergie de 100 GeV, les interactions électromagnétiques et faibles se combinent.

Cette température correspond à la température de l'Univers en 10 -10 s. après le Big Bang.

A une énergie de 1015 GeV, une forte interaction les unit.

À une énergie de 1 019 GeV, les quatre interactions se combinent.

1 GeV = 1 milliard d'électrons-volts

Les progrès dans le domaine de la recherche sur les particules élémentaires ont contribué au développement du concept d’atomisme. On pense actuellement que parmi les nombreuses particules élémentaires, on peut distinguer 12 particules fondamentales et le même montant .

antiparticules

Six particules sont des quarks aux noms exotiques :

« haut », « bas », « charmé », « étrange », « vrai », « charmant ». Les six autres sont des leptons : , électron , muon particule tau

et leurs neutrinos correspondants (neutrinos électroniques, muons, tau).

La matière ordinaire est constituée de particules de première génération.

On suppose que les générations restantes peuvent être créées artificiellement grâce à des accélérateurs de particules chargées. Sur la base du modèle des quarks, les physiciens ont développé modèle

structure des atomes.

Chaque atome est constitué d'un noyau lourd (fortement lié par les champs de gluons des protons et des neutrons) et d'une couche électronique. Le nombre de protons dans le noyau est numéro de série élément dans tableau périodique

éléments D.I. Mendeleïev. Un proton a une charge électrique positive, 1836 fois sa masseélectron, les dimensions sont d'environ 10 à 13 cm.

La charge électrique d'un neutron est nulle.

Un proton, selon l'hypothèse des quarks, est constitué de deux quarks « up » et d'un « down », et d'un neutron - d'un quark « up » et de deux quarks « down ». Ils ne peuvent pas être imaginés comme une boule solide ; ils ressemblent plutôt à un nuage aux frontières floues, constitué de particules virtuelles naissant et disparaissant.

Il reste encore des questions non résolues sur l’origine des quarks et des leptons, à savoir s’ils sont les principaux « premiers éléments constitutifs » de la nature et à quel point ils sont fondamentaux.

Les réponses à ces questions sont recherchées dans la cosmologie moderne.

L'étude des processus de naissance de particules élémentaires à partir du vide et la construction de modèles de fusion nucléaire primaire qui ont généré certaines particules au moment de la naissance de l'Univers sont d'une grande importance.

OT : Einstein (1915) Un des les plus grands accomplissements Au cours des deux derniers millénaires, la physique est devenue l'identification et la définition de quatre types d'interactions qui régissent l'univers. Tous peuvent être décrits dans le langage des champs, que nous devons à Faraday. Malheureusement, aucun des quatre types ne possède toutes les propriétés des champs de force décrits dans la plupart des cas.œuvres fantastiques

. Listons ces types d'interactions. 1. La gravité. Une force silencieuse qui ne permet pas à nos pieds de quitter le support. Il empêche la Terre et les étoiles de s’effondrer et contribue à maintenir l’intégrité du système solaire et de la galaxie. Sans gravité, la rotation de la planète nous propulserait hors de la Terre et dans l’espace à une vitesse de 1 600 milles à l’heure. Le problème est que les propriétés de la gravité sont exactement à l’opposé des propriétés des champs de force fantastiques. La gravité est une force d’attraction et non de répulsion ; il est extrêmement faible – relativement, bien sûr ; il fonctionne sur des distances énormes et astronomiques. En d’autres termes, c’est presque totalement à l'opposé une barrière plate, mince et impénétrable que l'on peut trouver dans presque tous les ou un film. Par exemple, une plume est attirée vers le sol par une planète entière - la Terre, mais nous pouvons facilement surmonter la gravité terrestre et soulever la plume avec un doigt. L’impact d’un de nos doigts peut vaincre la force gravitationnelle d’une planète entière, qui pèse plus de six mille milliards de kilogrammes.

2. Électromagnétisme (EM). Le pouvoir qui illumine nos villes. Lasers, radio, télévision, électronique moderne, ordinateurs, Internet, électricité, magnétisme - tout cela est la conséquence de la manifestation de l'interaction électromagnétique. Il s’agit peut-être de la force la plus utile que l’humanité ait réussi à exploiter tout au long de son histoire. Contrairement à la gravité, elle peut agir à la fois comme attraction et comme répulsion. Cependant, elle n'est pas adaptée au rôle champ de force pour plusieurs raisons. Premièrement, il peut être facilement neutralisé. Par exemple, le plastique ou tout autre matériau non conducteur pénétrera facilement dans un champ électrique ou magnétique puissant. Un morceau de plastique jeté dans un champ magnétique le traversera librement. Deuxièmement, l’électromagnétisme opère sur de grandes distances et n’est pas facile à concentrer dans un plan. Les lois de l'interaction EM sont décrites par les équations de James Clerk Maxwell, et il semble que les champs de force ne soient pas une solution à ces équations.

3 et 4. Interactions nucléaires fortes et faibles. La force faible est la force de désintégration radioactive, celle qui chauffe noyau radioactif Terre. Cette force est à l’origine des éruptions volcaniques, des tremblements de terre et de la dérive des plaques continentales. Une forte interaction empêche les noyaux atomiques de se désagréger ; il fournit de l'énergie au soleil et aux étoiles et est chargé d'éclairer l'univers. Le problème est que interaction nucléaire ne fonctionne qu'à de très petites distances, principalement à l'intérieur du noyau atomique. Il est si étroitement lié aux propriétés du noyau lui-même qu’il est extrêmement difficile à contrôler. Actuellement, nous ne connaissons que deux manières d'influencer cette interaction : nous pouvons rompre particule subatomique en morceaux dans un accélérateur ou faire exploser une bombe atomique.

Bien que champs de protection V la science-fiction et n'obéissent pas aux lois connues de la physique, il existe encore des failles qui rendront probablement possible la création d'un champ de force à l'avenir. Premièrement, il existe peut-être un cinquième type d’interaction fondamentale que personne n’a encore pu observer en laboratoire. Il se peut par exemple que cette interaction ne fonctionne qu’à des distances de quelques centimètres à un pied – et non à des distances astronomiques. (Cependant, les premières tentatives pour découvrir le cinquième type d’interaction ont donné des résultats négatifs.)

Deuxièmement, nous pourrons peut-être faire en sorte que le plasma imite certaines propriétés du champ de force. Le plasma est le « quatrième état de la matière ». Les trois premiers états de la matière qui nous sont familiers sont solide, liquide et gazeux ; cependant, la forme de matière la plus courante dans l’univers est le plasma : un gaz composé d’atomes ionisés. Les atomes du plasma ne sont pas connectés les uns aux autres et sont dépourvus d'électrons. charge électrique. Ils peuvent être facilement contrôlés à l’aide de champs électriques et magnétiques.

La matière visible de l’univers existe pour l’essentiel sous la forme de divers types de plasma ; à partir de là se forment le soleil, les étoiles et le gaz interstellaire. DANS vie ordinaire on ne rencontre presque jamais de plasma, car ce phénomène est rare sur Terre ; cependant, le plasma est visible. Pour ce faire, il suffit de regarder l'éclair, le soleil ou l'écran d'un téléviseur plasma.

Aujourd’hui, j’aimerais vous parler des forces ou interactions fondamentales. Vous découvrirez ce qu'ils sont, combien il y en a et pourquoi ils sont nécessaires.

On y va!

Quelles sont les forces fondamentales ?

Dans notre Univers, il existe de nombreux force physique et les interactions. Par exemple, la force de friction, les réactions nucléaires et liaisons chimiques. Mais ils sont tous secondaires, à l’exception de certaines quatre interactions. Ils sont dits « fondamentaux ». Ce sont des types d’interaction de particules élémentaires et déterminent toutes les autres forces de la nature.

Au tout début de l’univers, il y avait une interaction fondamentale. Mais cela n'a pas duré longtemps. Dès la fin de la première seconde qui a suivi, la force fondamentale unique était divisée en quatre interactions distinctes : forte, faible, électromagnétique et gravitationnelle. Regardons-les tous.

Forte interaction.

Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi les atomes sont les plus éléments chimiquesécurie? Il semblerait qu'il n'y ait rien de compliqué ici. Cependant, dans les années 30 du siècle dernier, la recherche d'une réponse à cette question fait transpirer les scientifiques.

Depuis cours scolaire physique et chimie Vous savez probablement qu'un atome est constitué de deux parties : un noyau et des électrons qui tournent autour de lui. Le noyau, à son tour, est constitué de « nucléons » – des protons et des neutrons.

L'atome est électriquement neutre. Mais dans son noyau, il n'y a que des particules chargées positivement et neutrement - des protons et des neutrons. Il est bien connu que seuls les corps de charges opposées peuvent s’attirer – en d’autres termes, du « plus » au « moins ». Les protons et les neutrons doivent donc se repousser. Cependant, en réalité, les atomes du noyau existent toujours et n’ont pas d’importance. Quelle est la raison?

"Peut-être que c'est une question de gravité ?" - pensaient alors les physiciens. Il s’est avéré que non. L’interaction gravitationnelle, étant la plus faible de toutes, ne serait pas capable de résister aux forces électromagnétiques.

Cela signifie qu'il y en a suffisamment force puissante, qui lie les nucléons aux atomes stables du noyau. C’est ce qu’on appelle « l’interaction forte ». Par la suite, il s'est avéré qu'il lie également les quarks (représentants de l'un des groupes de particules fondamentales) dans particules composites appelés « hadrons » - par exemple, les mêmes protons et neutrons.

L'interaction forte implique des quarks, des hadrons et des gluons. Les gluons n'ont pas de masse et sont porteurs de la force forte. Ils sont échangés par les quarks et réalisent ainsi cette force fondamentale.

La force nucléaire forte est la force la plus puissante de la nature. Il est mille fois plus puissant que l'électromagnétique et 100 000 fois plus puissant que le « nucléaire faible », et sa puissance dépasse la gravité jusqu'à 10 39 (10 puissance 39) fois.

L'interaction forte est brutale : à cause d'elle, les scientifiques ne peuvent pas observer les quarks à l'état libre. Ces pauvres particules sont à jamais piégées dans les hadrons. Il s’est avéré que plus les quarks sont éloignés les uns des autres, plus leur attraction est forte. Par conséquent, ces particules ne sont jamais observées errant seules dans l’espace et n’existent que dans les hadrons.

Électromagnétisme.

DANS interaction électromagnétique Tous les corps et particules possédant une charge électrique sont impliqués. Cependant, il existe des exceptions : les particules neutres, mais constituées de particules chargées, peuvent participer. Un exemple frappant est un neutron. Il a une charge neutre, mais est constitué de quarks chargés.

L'interaction électromagnétique se produit entre des particules chargées via un champ électromagnétique. Son quantum (particule fondamentale) est le photon – également le troll de l'univers entier.

L'électromagnétisme réside dans le fait que les particules chargées interagissent entre elles en échangeant des photons.

Les forces électromagnétiques apparaissent sous forme de forces et d'attraction (un corps avec charge positive attiré par les charges négatives) et la répulsion.

Cette interaction est très rôle important dans la nature en raison de son interaction. Il détermine la structure des molécules (liaisons chimiques) et coquilles électroniques en atomes. Par conséquent, beaucoup de choses dépendent de l’électromagnétisme.

La plupart des forces physiques habituelles considérées " mécanique classique"Newton - la force de frottement, l'élasticité, tension superficielle etc. - avoir un caractère électromagnétique.

Les forces électromagnétiques déterminent également la plupart propriétés physiques corps du macrocosme, ainsi que leurs changements lors de la transition d'un état d'agrégationà un autre. Cette interaction est à l'origine de phénomènes électriques, magnétiques, optiques et chimiques.

Faibles forces nucléaires.

L’interaction faible se produit à des distances bien inférieures à celles du noyau atomique. Elle est plus faible que les deux forces fondamentales décrites ci-dessus, mais plus forte que la gravité.

Les forces nucléaires faibles impliquent deux groupes de particules fondamentales (les leptons et les quarks) et les hadrons. Au cours du processus d'interaction faible, les particules échangent des « porteurs » - les bosons W et Z, qui sont assez massifs, contrairement aux gluons et photons sans masse.

Les forces nucléaires faibles jouent un rôle important dans la nature. Fuite réactions thermonucléaires dans les étoiles est dû précisément à cette interaction. Autrement dit, grâce aux faibles forces nucléaires Le Soleil et d’autres corps gazeux brûlent.

Mais ce n'est pas tout. La force faible est responsable de la désintégration bêta des noyaux atomiques. Ce processus fait partie de trois types radioactivité. Elle consiste en l’émission de « particules bêta » par le noyau : des électrons ou des positons.

Grâce à interaction faible la dite "faible décroissance". C'est à ce moment-là que les particules massives sont divisées en particules plus légères. Un cas particulier important est la désintégration d'un neutron : il peut se transformer en proton, en électron et en antineutrino.

La gravité.

Interaction fondamentale universelle. Tous les corps matériels y sont soumis - des particules élémentaires aux immenses galaxies. Cette force fondamentale est la plus faible de toutes et s'exprime par le désir corps matériels les uns aux autres - attirance.

La gravité est une force à longue portée qui contrôle les processus les plus globaux de l’Univers. Grâce à elle, les étoiles et leurs amas ont été regroupés en galaxies. Grâce à cela, des étoiles gazeuses se forment dans les nébuleuses, des morceaux de pierre froids dans l'espace sont regroupés en planètes et une balle lancée par vous tombera définitivement.

La gravité trompe les physiciens depuis plusieurs décennies. Il fait l'objet d'un conflit de longue durée entre deux principaux théories physiques: mécanique quantique et théorie de la relativité. Mais pourquoi?

Le fait est que la théorie générale de la relativité et la physique quantique reposent sur des principes différents et décrivent cette force fondamentale de différentes manières.

Einstein a expliqué la gravité comme la courbure de l'espace-temps elle-même due aux masses des corps matériels. Et la physique quantique le « quantifie » – le décrit comme une interaction qui possède ses propres particules porteuses. On les appelle « gravitons ».

En mécanique quantique, l’espace-temps n’est pas représenté par une « variable dynamique », c’est-à-dire ne dépend pas des organismes et des systèmes qui s'y trouvent. Et cela va à l’encontre de la théorie de la relativité.

Mais ce qui est le plus surprenant, c’est que malgré leurs différences fondamentales, toutes ces deux théories ont été prouvées expérimentalement. Mécanique quantique décrit parfaitement le micromonde et la théorie de la relativité décrit l'Univers à une échelle macroscopique.

Il y a maintenant des tentatives pour combiner relativisme et la physique quantique et décrire la gravité de manière transparente. Ensuite, une « théorie du tout » sera construite, et la principale candidate à ce titre est la « théorie des cordes », emmêlée à ras bord avec ses 11 dimensions.

OK, c'est fini maintenant !

Quelles sont les interactions fondamentales ?