Kuri iš pagrindinių sąveikų yra silpniausia? Fundamentinių sąveikų tipai fizikoje

Daug pagrindinių sąvokų šiuolaikinis gamtos mokslas tiesiogiai ar netiesiogiai susiję su aprašymu esminės sąveikos. Sąveika ir judėjimas yra svarbiausi materijos atributai, be kurių jos egzistavimas neįmanomas. Sąveika lemia įvairių materialių objektų susijungimą į sistemas, t.y. sisteminė organizacija reikalas. Daugelis materialių objektų savybių atsiranda dėl jų sąveikos ir yra jų struktūrinių ryšių vienas su kitu ir sąveikos su išorine aplinka rezultatas.

Iki šiol žinoma keturių tipų pagrindinės pagrindinės sąveikos:

· gravitacinis;

· elektromagnetinis;

· stiprus;

· silpnas.

Gravitacinė sąveika būdingas visiems materialiems objektams, nepaisant jų prigimties. Jis susideda iš abipusio kūnų traukos ir yra nulemtas pagrindų pagal įstatymus universalioji gravitacija: tarp dviejų taškiniai kūnai yra traukos jėga, tiesiogiai proporcinga jų masių sandaugai ir atvirkščiai proporcinga atstumo tarp jų kvadratui. Gravitacinė sąveika lemia kūnų kritimą Žemės gravitacinių jėgų lauke. Visuotinės gravitacijos dėsnis apibūdina, pavyzdžiui, planetų judėjimą saulės sistema, taip pat kitus makroobjektus. Daroma prielaida, kad gravitacinę sąveiką sukelia tam tikros elementarios dalelės - gravitonai, kurio egzistavimas dar nebuvo eksperimentiškai patvirtintas.

Elektromagnetinė sąveika susiję su elektros ir magnetiniai laukai. Elektrinis laukas atsiranda esant elektros krūviams, o jiems judant – magnetinis laukas. Gamtoje yra ir teigiamų, ir neigiami krūviai, kuris lemia elektromagnetinės sąveikos pobūdį. Pavyzdžiui, elektrostatinė sąveika tarp įkrautų kūnų, priklausomai nuo krūvio ženklo, sumažinama iki traukos arba atstūmimo. Kai krūviai juda, priklausomai nuo jų ženklo ir judėjimo krypties, tarp jų atsiranda arba trauka, arba atstūmimas. Įvairias medžiagos agregacijos būsenas, trinties reiškinį, tamprumą ir kitas medžiagos savybes pirmiausia lemia jėgos tarpmolekulinė sąveika, kuris savo prigimtimi yra elektrostatinis. Elektromagnetinę sąveiką apibūdina pagrindiniai elektrostatikos ir elektrodinamikos dėsniai: Kulono dėsnis, Ampero dėsnis ir kt. Bendras aprašymas duoda elektromagnetinė teorija Maksvelo pagrindu pagrindines lygtis, jungiantis elektrinius ir magnetinius laukus.

Stipri sąveika užtikrina nukleonų ryšį branduolyje ir nustato branduolines jėgas. Daroma prielaida, kad branduolinės jėgos atsiranda keičiantis nukleonams virtualios dalelės – mezonai.

Pagaliau, silpna sąveika apibūdina kai kuriuos branduolinių procesų tipus. Jis veikia trumpai ir apibūdina visų tipų beta transformacijas.

Paprastai už kiekybinė analizė Išvardytose sąveikose naudojamos dvi charakteristikos: bematė konstanta sąveika, nustatant sąveikos dydį ir veikimo diapazoną (3.1 lentelė).

3.1 lentelė

Pagal lentelę. 3.1 aišku, kad gravitacinės sąveikos konstanta yra mažiausia. Jo veikimo diapazonas, kaip ir elektromagnetinės sąveikos, yra neribotas. Klasikiniu požiūriu gravitacinė sąveika nevaidina reikšmingo vaidmens mikropasaulio procesuose. Tačiau makroprocesuose ji atlieka lemiamą vaidmenį. Pavyzdžiui, Saulės sistemos planetų judėjimas vyksta griežtai laikantis gravitacinės sąveikos dėsnių.

Stipri sąveika yra atsakinga už branduolių stabilumą ir tęsiasi tik branduolio dydžiu. Kuo stipresnė nukleonų sąveika branduolyje, tuo jis stabilesnis, tuo didesnė jo surišimo energija, kurią lemia darbas, kurį reikia atlikti norint atskirti nukleonus ir pašalinti juos vienas nuo kito tokiais atstumais, kuriais sąveika tampa lygus nuliui. Didėjant branduolio dydžiui, surišimo energija mažėja. Taigi elementų branduoliai periodinės lentelės pabaigoje yra nestabilūs ir gali irti. Šis procesas dažnai vadinamas radioaktyvusis skilimas.

Sąveika tarp atomų ir molekulių vyrauja elektromagnetinė prigimtis. Ši sąveika paaiškina įvairių agreguotų medžiagų būsenų susidarymą: kietą, skystą ir dujinę. Pavyzdžiui, tarp kietos būsenos medžiagos molekulių sąveika traukos forma yra daug stipresnė nei tarp tų pačių molekulių dujinėje būsenoje.

Gebėjimas sąveikauti yra svarbiausia ir neatskiriama materijos savybė. Būtent sąveikos užtikrina įvairių mega-, makro- ir mikropasaulio materialių objektų sujungimą į sistemas. Visi žinomi šiuolaikinis mokslas jėgos sumažinamos iki keturių tipų sąveikų, kurios vadinamos fundamentaliomis: gravitacinėmis, elektromagnetinėmis, silpnomis ir stipriomis.

Gravitacinė sąveika pirmą kartą tapo fizikos tyrimo objektu XVII a. I. Niutono gravitacijos teorija, kuri remiasi visuotinės gravitacijos dėsniu, tapo vienu iš klasikinės mechanikos komponentų. Visuotinės gravitacijos dėsnis teigia: tarp dviejų kūnų veikia traukos jėga, kuri yra tiesiogiai proporcinga jų masių sandaugai ir atvirkščiai proporcinga atstumo tarp jų kvadratui (2.3). Bet kuri materiali dalelė yra gravitacinės įtakos šaltinis ir pati ją patiria. Didėjant masei, didėja gravitacinė sąveika, t.y. kuo didesnė sąveikaujančių medžiagų masė, tuo stipresnės gravitacinės jėgos. Gravitacijos jėgos yra traukos jėgos. IN Pastaruoju metu fizikai pasiūlė gravitacinio atstūmimo egzistavimą, kuris veikė pirmosiomis Visatos egzistavimo akimirkomis (4.2), tačiau ši mintis dar nepasitvirtino. Gravitacinė sąveika yra silpniausia šiuo metu žinoma. Gravitacinė jėga veikia labai dideli atstumai, jo intensyvumas mažėja didėjant atstumui, bet visiškai neišnyksta. Manoma, kad gravitacinės sąveikos nešėjas yra hipotetinės dalelės gravitonas. Mikropasaulyje gravitacinė sąveika nevaidina reikšmingo vaidmens, tačiau makro ir ypač mega procesuose ji atlieka pagrindinį vaidmenį.

Elektromagnetinė sąveika tapo XIX amžiaus fizikos studijų dalyku. Pirmoji vieninga teorija elektromagnetinis laukas Buvo pristatyta J. Maxwell koncepcija (2.3). Skirtingai nei gravitacinė jėga elektromagnetinė sąveika egzistuoja tik tarp įkrautų dalelių: elektrinis laukas yra tarp dviejų nejudančių įkrautų dalelių, magnetinis laukas yra tarp dviejų judančių įkrautų dalelių. Elektromagnetinės jėgos gali būti traukiančios arba atstumiančios jėgos. Tikėtina, kad įkrautos dalelės atstumia, priešingai įkrautos dalelės traukia. Šio tipo sąveikos nešėjai yra fotonai. Elektromagnetinė sąveika pasireiškia mikro, makro ir mega pasauliuose.

XX amžiaus viduryje. buvo sukurtas kvantinė elektrodinamika– pagrindinius principus tenkinanti elektromagnetinės sąveikos teorija kvantinė teorija ir reliatyvumo teorija. 1965 metais jos autoriai S. Tomanaga, R. Feynman ir J. Schwinger buvo apdovanoti Nobelio premija. Kvantinė elektrodinamika nusako įkrautų dalelių – elektronų ir pozitronų – sąveiką.

Silpna sąveika buvo atrastas tik XX amžiuje, septintajame dešimtmetyje. pastatytas bendroji teorija silpna sąveika. Silpna jėga siejama su dalelių skilimu, todėl jos atradimas sekė tik atradus radioaktyvumą. Stebint radioaktyvusis skilimas buvo atrastos dalelės, reiškiniai, kurie tarsi prieštarauja energijos tvermės dėsniui. Faktas yra tas, kad skilimo proceso metu dalis energijos „dingo“. Fizikas W. Pauli pasiūlė, kad radioaktyvaus medžiagos skilimo metu kartu su elektronu išsiskiria didelės skvarbos dalelės. Vėliau ši dalelė buvo pavadinta „neutrinu“. Paaiškėjo, kad dėl silpnos sąveikos neutronai, sudarantys atomo branduolį, skyla į trijų tipų daleles: teigiamai įkrautus protonus, neigiamo krūvio elektronus ir neutralius neutrinus. Silpnoji sąveika yra daug mažesnė už elektromagnetinę, bet didesnė už gravitacinę sąveiką ir, skirtingai nei jos, plinta mažais atstumais – ne daugiau kaip 10-22 cm. Štai kodėl ilgam laikui silpnos sąveikos eksperimentiškai nepastebėta. Silpnosios sąveikos nešėjai yra bozonai.

1970-aisiais buvo sukurta bendra elektromagnetinės ir silpnosios sąveikos teorija, vadinama Elektrosilpnos sąveikos teorija. Jos kūrėjai S. Weinbergas, A. Salamas ir S. Glashow 1979 m. Nobelio premija. Elektrosilpnos sąveikos teorija dviejų tipų fundamentaliąsias sąveikas laiko vienos, gilesnės, apraiškomis. Taigi didesniais nei 10-17 cm atstumais dominuoja elektromagnetinis reiškinių aspektas, mažesniais atstumais tokiu pat laipsniu Svarbūs ir elektromagnetiniai, ir silpnieji aspektai. Nagrinėjamos teorijos sukūrimas reiškė, kad klasikinėje XIX amžiaus fizikoje, Faradėjaus-Maksvelo teorijos rėmuose, paskutiniame XX amžiaus trečdalyje elektra, magnetizmas ir šviesa. papildytas silpnos sąveikos reiškiniu.

Stipri sąveika taip pat buvo atrastas tik XX a. Jis sulaiko protonus atomo branduolyje, neleidžiant jiems išsisklaidyti veikiant elektromagnetinėms atstumiančioms jėgoms. Stipri sąveika vyksta ne didesniais kaip 10-13 cm atstumais ir yra atsakinga už branduolių stabilumą. Elementų branduoliai periodinės lentelės pabaigoje yra nestabilūs, nes jų spindulys yra didelis ir atitinkamai stipri sąveika praranda intensyvumą. Tokie branduoliai yra suyra, vadinami radioaktyviais. Stipri sąveika yra atsakinga už švietimą atomų branduoliai, jame dalyvauja tik sunkiosios dalelės: protonai ir neutronai. Branduolinė sąveika nepriklauso nuo dalelių krūvio, šios sąveikos nešėjai yra gliuonai. Gliuonai sujungiami į gliuono lauką (panašų į elektromagnetinį lauką), dėl kurio atsiranda stipri sąveika. Savo galia stipri sąveika pranoksta kitas žinomas ir yra didžiulės energijos šaltinis. Pavyzdys stipri sąveika atlikti termo branduolinės reakcijos ant Saulės ir kitų žvaigždžių. Kuriant vandenilinius ginklus buvo naudojamas stiprios sąveikos principas.

Stiprios sąveikos teorija vadinama kvantinė chromodinamika. Remiantis šia teorija, stipri sąveika yra gliuonų mainų rezultatas, dėl kurio hadronuose susijungia kvarkai. Kvantinė chromodinamika toliau vystosi, ir nors ji dar negali būti laikoma išsamia stiprios sąveikos koncepcija, vis dėlto ši fizinė teorija turi tvirtą eksperimentinį pagrindą.

IN šiuolaikinė fizika paieška tęsiama vieninga teorija, kuris leistų paaiškinti visus keturis pagrindinių sąveikų tipus. Tokios teorijos sukūrimas reikštų ir vieningos koncepcijos konstravimą elementariosios dalelės. Šis projektas buvo pavadintas „Didžiuoju susivienijimu“. Pagrindas įsitikinimui, kad tokia teorija yra įmanoma, yra tai, kad nedideliais atstumais (mažiau nei 10-29 cm) ir aukšta energija(daugiau nei 1014 GeV) elektromagnetinės, stipriosios ir silpnosios sąveikos aprašomos vienodai, vadinasi, jų pobūdis yra bendras. Tačiau ši išvada vis dar yra tik teorinė, jos dar nepavyko patikrinti eksperimentiškai.

Įvairios konkuruojančios Grand Unified teorijos skirtingai interpretuoja kosmologiją (4.2). Pavyzdžiui, daroma prielaida, kad mūsų Visatos gimimo momentu egzistavo sąlygos, kai visos keturios pagrindinės sąveikos pasireiškė vienodai. Norint sukurti teoriją, kuri vieningai paaiškintų visas keturias sąveikos rūšis, reikės kvarkų teorijos sintezės, kvantinės chromodinamikos, šiuolaikinė kosmologija ir reliatyvistinė astronomija.

Tačiau vieningos keturių pagrindinių sąveikos tipų teorijos ieškojimas nereiškia, kad neįmanomas kitų materijos interpretacijų atsiradimas: naujų sąveikų atradimas, naujų elementariųjų dalelių paieška ir tt Kai kurie fizikai išreiškia abejones dėl šios galimybės. vieningos teorijos. Taigi sinergetikos kūrėjai I. Prigožinas ir I. Stengers knygoje „Laikas, chaosas, kvantas“ rašo: „viltis sukurti tokią „visko teoriją“, iš kurios būtų galima daryti išvadą Pilnas aprašymas fizinė tikrovė, teks atsisakyti“, ir savo tezę pagrįsti sinergijos rėmuose suformuluotais dėsniais (7.2).

Tautos dėsniai suvaidino svarbų vaidmenį suvokiant elementariųjų dalelių sąveikos, jų susidarymo ir skilimo mechanizmus. Be makropasaulyje veikiančių išsaugojimo dėsnių (energijos tvermės dėsnio, judesio likimo dėsnio ir kampinio momento likimo dėsnio), mikropasaulio fizikoje buvo atrasti ir nauji: energijos tvermės dėsnis. barionas, leptono krūviai, keistenybės ir kt.

Kiekvienas gamtosaugos įstatymas yra susijęs su tam tikra simetrija aplinkiniame pasaulyje. Fizikoje simetrija suprantama kaip invariantiškumas, sistemos nekintamumas, palyginti su jos transformacijomis, t.y., palyginti su eilučių pokyčiais fizines sąlygas. Vokiečių matematikė Emma Noether nustatė ryšį tarp erdvės ir laiko savybių bei išsaugojimo dėsnių klasikinė fizika. fundamentalioji teorema matematinė fizika, vadinamas Noeterio teorema, teigia, kad iš erdvės vienalytiškumo seka impulso tvermės dėsnis, iš laiko homogeniškumo – energijos tvermės dėsnis, o iš erdvės izotropijos – kampinio momento tvermės dėsnis. Šie dėsniai yra esminiai ir galioja visuose materijos egzistavimo lygiuose.

Energijos tvermės ir virsmo dėsnis teigia, kad energija neišnyksta ir vėl neatsiranda, o tik pereina iš vienos formos į kitą. Impulso tvermės dėsnis postuluoja impulso pastovumą uždara sistema su laiku. Kampinio momento išsaugojimo dėsnis teigia, kad uždaro ciklo sistemos kampinis impulsas laikui bėgant išlieka pastovus. Apsaugos dėsniai yra simetrijos, t. y. nekintamumo, materialių objektų struktūros nekintamumo, palyginti su transformacijomis, arba fizinių jų egzistavimo sąlygų pokyčių, pasekmė.

Yra 4 pagrindinių sąveikų tipai, kurių viena į kitą negalima redukuoti.

Elementariosios dalelės dalyvauja visų tipų žinomoje sąveikoje.

Panagrinėkime juos mažėjančia intensyvumo tvarka:

1) stiprus,

2) elektromagnetinis,

3) silpnas

4) gravitacinis.

Stipri sąveika atsiranda atomo branduolių lygyje ir atstovauja abipusė trauka jų komponentai. Veikia maždaug 10 -13 cm atstumu.

Dėl to susidaro stipri sąveika medžiagų sistemos Su aukšta energija ryšiai – atomų branduoliai.

Būtent dėl ​​šios priežasties atomų branduoliai yra labai stabilūs ir sunkiai suardomi. Elektromagnetinė sąveika

apie tūkstantį kartų silpnesnis už stiprų, bet veikia daug didesniais atstumais. Šio tipo sąveika būdinga elektra įkrautoms dalelėms. Elektromagnetinės sąveikos procese elektronai ir atomų branduoliai susijungia į atomus, o atomai į molekules. Tam tikra prasme ši sąveika yra esminė chemijos ir biologijos srityse. Silpna sąveika galbūt tarp skirtingų dalelių. Jis tęsiasi maždaug 10–15–10–22 cm atstumu ir daugiausia susijęs su dalelių skilimu. Remiantis dabartinėmis žiniomis, dauguma dalelių yra nestabilios būtent dėl ​​silpnos sąveikos. Pavyzdžiui, kas vyksta atominiame branduolyje

neutronų transformacija , į protoną, elektroną ir antineutriną.

Gravitacinė sąveika

silpniausias ir į jį neatsižvelgiama elementariųjų dalelių teorijoje, nes duoda itin mažus efektus. Kosminiu mastu gravitacinė sąveika turi lemiamą reikšmę.

Jo veikimo spektras neribojamas.

Laikas, per kurį įvyksta elementariųjų dalelių transformacija, priklauso nuo sąveikos stiprumo.

Branduolinės reakcijos, susijusios su stipria sąveika, įvyksta per 10 -24 -10 -23 s.

Be stiprios sąveikos neegzistuotų atomų branduoliai, o žvaigždės ir Saulė negalėtų generuoti energijos dėl atominė energijašiluma ir šviesa.

Be elektromagnetinės sąveikos nebūtų nei atomų, nei molekulių, nei makroskopinių objektų, taip pat šilumos ir šviesos.

Be silpnos sąveikos nebūtų įmanomos branduolinės reakcijos Saulės ir žvaigždžių gelmėse, neįvyktų supernovų sprogimai, o gyvybei būtini sunkieji elementai negalėtų išplisti visoje Visatoje.

Be gravitacinės sąveikos nebūtų ne tik galaktikų, žvaigždžių, planetų, bet ir visa Visata negalėtų vystytis, nes gravitacija yra vienijantis veiksnys, užtikrinantis visos Visatos ir jos evoliucijos vienybę.

visos keturios pagrindinės sąveikos, reikalingos sudėtingiems ir įvairiems elementams iš elementariųjų dalelių sukurti materialus pasaulis, galima gauti iš vienos pagrindinės sąveikos - supergalios .

Teoriškai įrodyta, kad esant labai aukštai temperatūrai (arba energijai) visos keturios sąveikos susijungia į vieną.

Esant 100 GeV energijai, susijungia elektromagnetinė ir silpnoji sąveika.

Ši temperatūra atitinka Visatos temperatūrą per 10 -10 s. po Didžiojo sprogimo.

Esant 1015 GeV energijai, prie jų prisijungia stipri sąveika.

Esant 1019 GeV energijai, visos keturios sąveikos susijungia.

1 GeV = 1 milijardas elektronų voltų

Pažanga elementariųjų dalelių tyrimų srityje prisidėjo prie tolesnės atomizmo sampratos plėtros. Šiuo metu manoma, kad tarp daugybės elementariųjų dalelių galime išskirti 12 pagrindinių dalelių ir tiek pat .

antidalelių

Šešios dalelės yra kvarkai egzotiškais pavadinimais:

„viršus“, „apačia“, „žavėtas“, „keistas“, „tikras“, „žavingas“. Likę šeši yra leptonai: , elektronas , miuonas tau dalelė

ir juos atitinkantys neutrinai (elektronai, miuonas, tau neutrinai).

Įprastą medžiagą sudaro pirmosios kartos dalelės.

Daroma prielaida, kad likusios kartos gali būti sukurtos dirbtinai naudojant įkrautus dalelių greitintuvus. Remdamiesi kvarko modeliu, fizikai sukūrė modelis

atomų struktūra.

Kiekvienas atomas susideda iš sunkaus branduolio (stipriai surišto protonų ir neutronų gliuono laukais) ir elektronų apvalkalo. Protonų skaičius branduolyje yra serijos numeris elementas viduje Periodinė elementų lentelė

elementai D.I. Mendelejevas. Protonas turi teigiamą elektros krūvį, 1836 kartus didesnį už jo masę elektronų, matmenys apie 10 -13 cm.

Neutrono elektrinis krūvis lygus nuliui.

Protoną, remiantis kvarko hipoteze, sudaro du kvarkai „aukštyn“ ir vienas „žemyn“, o neutronas - iš vieno „aukštyn“ ir dviejų „žemyn“ kvarkų. Jie negali būti įsivaizduojami kaip vientisas rutulys, greičiau jie primena debesį su neryškiomis ribomis, susidedančius iš gimstančių ir išnykstančių virtualių dalelių.

Vis dar lieka neišspręstų klausimų apie kvarkų ir leptonų kilmę, ar jie yra pagrindiniai gamtos „pirmieji statybiniai blokai“ ir kiek jie yra esminiai.

Atsakymų į šiuos klausimus ieškoma šiuolaikinėje kosmologijoje.

Didelę reikšmę turi elementariųjų dalelių gimimo iš vakuumo procesų tyrimas ir pirminės branduolių sintezės modelių, generavusių tam tikras daleles Visatos gimimo momentu, kūrimas.

OTO: Einšteinas (1915) Vienas iš didžiausi pasiekimai Fizika per pastaruosius du tūkstantmečius tapo keturių visatą valdančių sąveikų tipų identifikavimu ir apibrėžimu. Visus juos galima apibūdinti laukų kalba, kurią mes skolingi Faraday. Tačiau, deja, nė vienas iš keturių tipų neturi visų daugumoje aprašytų jėgos laukų savybių fantastiški darbai

. Išvardinkime šias sąveikos rūšis. 1. Gravitacija. Tyli jėga, kuri neleidžia mūsų kojoms palikti atramos. Jis neleidžia Žemei ir žvaigždėms subyrėti ir padeda išlaikyti Saulės sistemos ir Galaktikos vientisumą. Be gravitacijos planetos sukimasis nustumtų mus nuo Žemės ir į kosmosą 1000 mylių per valandą greičiu. Problema ta, kad gravitacijos savybės yra visiškai priešingos fantastinių jėgos laukų savybėms. Gravitacija yra traukos, o ne atstūmimo jėga; jis labai silpnas – žinoma, santykinai; jis veikia didžiuliais astronominiais atstumais. Kitaip tariant, beveik visiška priešingybė plokščia, plona, ​​neperžengiama barjera, kurią galima rasti beveik bet kurioje arba filmas. Pavyzdžiui, plunksną prie grindų traukia ištisa planeta – Žemė, bet mes galime nesunkiai įveikti Žemės gravitaciją ir vienu pirštu pakelti plunksną. Vieno iš mūsų pirštų smūgis gali įveikti visos planetos gravitacijos jėgą, kuri sveria daugiau nei šešis trilijonus kilogramų.

2. Elektromagnetizmas (EM). Jėga, kuri apšviečia mūsų miestus. Lazeriai, radijas, televizija, šiuolaikinė elektronika, kompiuteriai, internetas, elektra, magnetizmas – visa tai yra elektromagnetinės sąveikos pasireiškimo pasekmės. Galbūt tai yra pati naudingiausia jėga, kurią žmonijai pavyko panaudoti per visą savo istoriją. Skirtingai nuo gravitacijos, ji gali veikti ir kaip trauka, ir kaip atstūmimas. Tačiau vaidmeniui ji netinka jėgos laukas dėl kelių priežasčių. Pirma, jį galima lengvai neutralizuoti. Pavyzdžiui, plastikas ar bet kuri kita nelaidžia medžiaga lengvai prasiskverbs į galingą elektrinį ar magnetinį lauką. Pro jį laisvai praskris į magnetinį lauką įmestas plastiko gabalas. Antra, elektromagnetizmas veikia dideliais atstumais ir nėra lengva susikoncentruoti plokštumoje. EM sąveikos dėsniai aprašyti Jameso Clerko Maxwello lygtimis ir atrodo, kad jėgos laukai nėra šių lygčių sprendimas.

3 ir 4. Stiprioji ir silpnoji branduolių sąveika. Silpnoji jėga yra radioaktyvaus skilimo jėga, ta, kuri įkaista radioaktyvus branduolysŽemė. Ši jėga yra už ugnikalnių išsiveržimų, žemės drebėjimų ir žemyninių plokščių dreifo. Stipri sąveika neleidžia atominiams branduoliams subyrėti; jis aprūpina energiją saulei ir žvaigždėms ir yra atsakingas už visatos apšvietimą. Problema ta branduolinė sąveika veikia tik labai mažais atstumais, daugiausia atomo branduolyje. Jis taip stipriai susietas su pačios šerdies savybėmis, kad jį itin sunku kontroliuoti. Šiuo metu žinome tik du būdus, kaip paveikti šią sąveiką: galime nutraukti subatominė dalelėį gabalus greitintuve arba susprogdinti atominę bombą.

Nors apsauginiai laukai V mokslinė fantastika ir nepakluskite žinomiems fizikos dėsniams, vis dar yra spragų, dėl kurių ateityje greičiausiai bus galima sukurti jėgos lauką. Pirma, galbūt yra penktasis esminės sąveikos tipas, kurio laboratorijoje dar niekas negalėjo pamatyti. Pavyzdžiui, gali pasirodyti, kad ši sąveika veikia tik kelių colių atstumu iki pėdos, o ne astronominiais atstumais. (Tačiau pirmieji bandymai atrasti penktąjį sąveikos tipą davė neigiamų rezultatų.)

Antra, galime padaryti, kad plazma imituotų kai kurias jėgos lauko savybes. Plazma yra „ketvirtoji materijos būsena“. Pirmosios trys mums žinomos materijos būsenos yra kieta, skysta ir dujinė; tačiau labiausiai paplitusi materijos forma Visatoje yra plazma: dujos, sudarytos iš jonizuotų atomų. Atomai plazmoje nėra sujungti vienas su kitu ir neturi elektronų, todėl turi elektros krūvis. Juos galima lengvai valdyti naudojant elektrinius ir magnetinius laukus.

Regimoji visatos materija didžiąja dalimi egzistuoja įvairių tipų plazmos pavidalu; iš jo susidaro saulė, žvaigždės ir tarpžvaigždinės dujos. IN įprastas gyvenimas mes beveik niekada nesusiduriame su plazma, nes šis reiškinys Žemėje retas; tačiau plazmą galima pamatyti. Norėdami tai padaryti, tiesiog pažiūrėkite į žaibą, saulę ar plazminio televizoriaus ekraną.

Šiandien norėčiau papasakoti apie pagrindines jėgas arba sąveikas. Sužinosite, kas jie yra, kiek jų yra ir kam jie reikalingi.

Štai mes!

Kas yra pagrindinės jėgos?

Mūsų Visatoje jų yra daug fizinė jėga ir sąveikos. Pavyzdžiui, trinties jėga, branduolinės reakcijos ir cheminiai ryšiai. Bet jie visi yra antraeiliai, išskyrus tam tikras keturias sąveikas. Jie vadinami „pagrindiniais“. Jie yra elementariųjų dalelių sąveikos tipai ir lemia visas kitas gamtos jėgas.

Pačioje Visatos pradžioje buvo viena esminė sąveika. Bet tai truko neilgai. Jau pirmosios sekundės pabaigoje vienintelė pagrindinė jėga buvo padalinta į keturias atskiras sąveikas: stiprią, silpną, elektromagnetinę ir gravitacinę. Pažvelkime į juos visus.

Stipri sąveika.

Ar kada nors susimąstėte, kodėl atomų yra daugiausia cheminiai elementai stabilus? Atrodytų, čia nieko sudėtingo. Tačiau praėjusio amžiaus 30-aisiais buvo ieškoma atsakymo į šį klausimą privertė mokslininkus prakaituoti.

Iš mokyklos kursas fizika ir chemija Tikriausiai žinote, kad atomas susideda iš dviejų dalių: branduolio ir aplink jį besisukančių elektronų. Branduolys, savo ruožtu, susideda iš „nukleonų“ - protonų ir neutronų.

Atomas yra elektriškai neutralus. Tačiau jo šerdyje yra tik teigiamai ir neutraliai įkrautos dalelės – protonai ir neutronai. Gerai žinoma, kad tik priešingai įkrauti kūnai gali pritraukti vienas kitą - kitaip tariant, „pliusas“ į „minusas“. Todėl protonai ir neutronai turi atstumti vienas kitą. Tačiau iš tikrųjų branduolio atomai vis dar egzistuoja ir neturi reikšmės. Kokia priežastis?

– Gal viskas dėl gravitacijos? – tada pagalvojo fizikai. Paaiškėjo, kad ne. Gravitacinė sąveika, būdama silpniausia iš visų, neatlaikytų elektromagnetinių jėgų.

Tai reiškia, kad jų pakanka galinga jėga, jungiantis nukleonus į stabilius branduolio atomus. Tai vadinama „stipria sąveika“. Vėliau paaiškėjo, kad jis taip pat suriša kvarkus (vienos iš pagrindinių dalelių grupių atstovus) sudėtinės dalelės vadinami „hadronais“ – pavyzdžiui, tie patys protonai ir neutronai.

Stipri sąveika apima kvarkus, hadronus ir gliuonus. Gliuonai neturi masės ir yra stiprios jėgos nešėjai. Kvarkai jais keičiasi ir taip realizuoja šią esminę jėgą.

Stipri branduolinė jėga yra pati galingiausia jėga gamtoje. Jis tūkstantį kartų stipresnis už elektromagnetinį ir 100 000 kartų stipresnis už „silpną branduolinį“, o jo galia net 10 39 (nuo 10 iki 39 galių) kartų viršija gravitaciją.

Stipri sąveika yra žiauri – dėl jos mokslininkai negali stebėti laisvos būsenos kvarkų. Šios prastos dalelės amžinai įstrigo hadronuose. Paaiškėjo, kad kuo toliau kvarkai yra vienas nuo kito, tuo stipresnė jų trauka. Todėl šios dalelės niekada nepastebimos vienišos klaidžiojančios erdvėje ir egzistuoja tik hadronuose.

Elektromagnetizmas.

IN elektromagnetinė sąveika Dalyvauja visi kūnai ir dalelės, turinčios elektros krūvį. Tačiau yra išimčių – gali dalyvauti neutralios dalelės, tačiau susidedančios iš įkrautų. Ryškus pavyzdys yra neutronas. Jis turi neutralų krūvį, bet susideda iš įkrautų kvarkų.

Elektromagnetinė sąveika vyksta tarp įkrautų dalelių per elektromagnetinį lauką. Jo kvantas (pagrindinė dalelė) yra fotonas – taip pat visos visatos trolis.

Elektromagnetizmas slypi tame, kad įkrautos dalelės sąveikauja viena su kita, keisdamosi fotonais.

Elektromagnetinės jėgos atsiranda jėgų ir traukos pavidalu (kūnas su teigiamas krūvis traukia neigiamai įkrautas) ir atstūmimas.

Ši sąveika yra labai svarbus vaidmuo gamtoje dėl jos sąveikos. Jis nustato molekulių struktūrą (cheminius ryšius) ir elektronų apvalkalai atomuose. Todėl daug kas priklauso nuo elektromagnetizmo.

Dauguma įprastų fizinių jėgų, kurios laikomos " klasikinė mechanika"Niutonas - trinties jėga, elastingumas, paviršiaus įtempimas ir tt - turi elektromagnetinį pobūdį.

Elektromagnetinės jėgos taip pat lemia dauguma fizines savybes makrokosmoso kūnai, taip pat jų pokyčiai pereinant iš vieno agregacijos būsena kitam. Ši sąveika yra elektrinių, magnetinių, optinių ir cheminių reiškinių pagrindas.

Silpnos branduolinės jėgos.

Silpna sąveika vyksta daug mažesniais atstumais nei atomo branduolys. Jis yra silpnesnis už dvi aukščiau aprašytas pagrindines jėgas, bet stipresnis už gravitaciją.

Silpnos branduolinės jėgos apima dvi pagrindinių dalelių (leptonų ir kvarkų) ir hadronų grupes. Silpnos sąveikos procese dalelės keičiasi „nešikliais“ - W- ir Z-bozonais, kurie yra gana masyvūs, priešingai nei bemasiai gliuonai ir fotonai.

Silpnos branduolinės jėgos vaidina svarbų vaidmenį gamtoje. Nuotėkis termobranduolinės reakcijosžvaigždėse būtent dėl ​​šios sąveikos. Kitaip tariant, ačiū silpniesiems branduolines pajėgas Saulė ir kiti dujų kūnai dega.

Bet tai dar ne viskas. Silpna jėga yra atsakinga už atomų branduolių beta skilimą. Šis procesas yra vienas iš trijų tipų radioaktyvumas. Jį sudaro „beta dalelių“ išskyrimas iš branduolio: elektronų arba pozitronų.

Ačiū silpna sąveika taip vadinamas „silpnas skilimas“. Tai yra tada, kai masyvios dalelės skirstomos į lengvesnes. Svarbus ypatingas atvejis yra neutrono skilimas – jis gali virsti protonu, elektronu ir antineutrinu.

Gravitacija.

Universali fundamentali sąveika. Jai pavaldūs visi materialūs kūnai – nuo ​​elementariųjų dalelių iki milžiniškų galaktikų. Ši pagrindinė jėga yra silpniausia iš visų ir išreiškiama troškimu materialūs kūnai vienas kitam – trauka.

Gravitacija yra ilgalaikė jėga ir valdo globaliausius procesus Visatoje. Jos dėka žvaigždės ir jų spiečiai buvo sugrupuoti į galaktikas. Jo dėka ūkuose susidaro dujinės žvaigždės, šalti akmens gabalai erdvėje susigrupuoja į planetas, o jūsų išmestas kamuolys tikrai nukris.

Gravitacija jau kelis dešimtmečius kvailina fizikus. Tai yra ilgalaikio konflikto tarp dviejų pagrindinių fizines teorijas: kvantinė mechanika ir reliatyvumo teorija. Bet kodėl?

Faktas yra tas, kad bendroji reliatyvumo teorija ir kvantinė fizika yra paremtos skirtingais principais ir skirtingai apibūdina šią pagrindinę jėgą.

Einšteinas gravitaciją aiškino kaip paties erdvėlaikio kreivumą dėl materialių kūnų masių. O kvantinė fizika ją „kvantuoja“ – apibūdina kaip sąveiką, kuri turi savo daleles nešiklius. Jie vadinami „gravitonais“.

Kvantinėje mechanikoje erdvėlaikis nevaizduojamas „dinaminiu kintamuoju“, t.y. nepriklauso nuo joje esančių kūnų ir sistemų. Ir tai prieštarauja reliatyvumo teorijai.

Tačiau labiausiai stebina tai, kad nepaisant esminių skirtumų, visos šios dvi teorijos buvo įrodytos eksperimentiškai. Kvantinė mechanika puikiai apibūdina mikropasaulį, o reliatyvumo teorija – Visatą makroskopiniu mastu.

Dabar yra bandymų derinti reliatyvistinius ir Kvantinė fizika ir sklandžiai apibūdinti gravitaciją. Tada bus sukurta „visko teorija“, o pagrindinis kandidatas į šį titulą yra „stygų teorija“, susipynusi iki kraštų su savo 11 dimensijų.

Gerai, viskas dabar!

Kas yra pagrindinės sąveikos?