Temel etkileşimlerden hangisi en zayıftır? Fizikteki temel etkileşim türleri

Birçok temel kavram modern doğa bilimi Açıklamayla doğrudan veya dolaylı olarak ilgili temel etkileşimler. Etkileşim ve hareket, maddenin en önemli özellikleridir ve onlar olmadan varlığı imkansızdır. Etkileşim, çeşitli maddi nesnelerin sistemler halinde birleştirilmesini belirler; sistemik organizasyon konu. Maddi nesnelerin pek çok özelliği, birbirleriyle olan etkileşimlerinden kaynaklanır ve birbirleriyle olan yapısal bağlantılarının ve dış çevreyle olan etkileşimlerinin sonucudur.

Artık biliniyor dört tür temel temel etkileşim:

· yerçekimi;

· elektromanyetik;

· güçlü;

· zayıf.

Yerçekimi etkileşimi doğalarına bakılmaksızın tüm maddi nesnelerin karakteristiği. Bedenlerin karşılıklı çekiciliğinden oluşur ve temel prensiplerle belirlenir. kanunen evrensel yerçekimi: iki arasında nokta cisimleri kütlelerinin çarpımı ile doğru orantılı, aralarındaki mesafenin karesi ile ters orantılı bir çekim kuvveti vardır. Yerçekimi etkileşimi, Dünya'nın yerçekimi kuvvetleri alanındaki cisimlerin düşüşünü belirler. Evrensel çekim yasası örneğin gezegenlerin hareketini açıklar. güneş sistemi ve diğer makro nesnelerinin yanı sıra. Yerçekimi etkileşiminin belirli temel parçacıklardan kaynaklandığı varsayılmaktadır. gravitonlar varlığı henüz deneysel olarak doğrulanmamıştır.

Elektromanyetik etkileşim elektrikle ilgili ve manyetik alanlar. Elektrik yüklerinin varlığında bir elektrik alanı ortaya çıkar ve hareket ettiklerinde bir manyetik alan oluşur. Doğada hem pozitif hem de negatif masraflar elektromanyetik etkileşimin doğasını belirleyen. Örneğin, yüklü cisimler arasındaki elektrostatik etkileşim, yükün işaretine bağlı olarak çekme veya itme şeklinde azalır. Yükler hareket ettiğinde, işaretlerine ve hareket yönlerine bağlı olarak aralarında çekme ya da itme meydana gelir. Bir maddenin çeşitli toplanma durumları, sürtünme olgusu, bir maddenin elastikliği ve diğer özellikleri öncelikle kuvvetler tarafından belirlenir. moleküller arası etkileşim doğası gereği elektrostatiktir. Elektromanyetik etkileşim, elektrostatik ve elektrodinamiğin temel yasalarıyla tanımlanır: Coulomb yasası, Ampere yasası vb. genel açıklama verir elektromanyetik teori Maxwell'e dayalı temel denklemler, elektrik ve manyetik alanları birbirine bağlar.

Güçlü etkileşimçekirdekteki nükleonların bağlantısını sağlar ve nükleer kuvvetleri belirler. Nükleonlar arasındaki değişim sırasında nükleer kuvvetlerin ortaya çıktığı varsayılmaktadır. sanal parçacıklar – mezonlar.

Nihayet, zayıf etkileşim Bazı nükleer süreç türlerini açıklar. Kısa etkilidir ve her türlü beta dönüşümünü karakterize eder.

Genellikle için niceliksel analiz Listelenen etkileşimler iki özelliği kullanır: boyutsuz sabit etkileşim, etkileşimin büyüklüğünü ve eylem aralığını belirler (Tablo 3.1).

Tablo 3.1

Tabloya göre. 3.1'de yerçekimsel etkileşim sabitinin en küçük olduğu açıktır. Elektromanyetik etkileşim gibi etki alanı sınırsızdır. Klasik görüşe göre yerçekimsel etkileşim, mikro dünyanın süreçlerinde önemli bir rol oynamaz. Ancak makro süreçlerde belirleyici rol oynar. Örneğin, güneş sistemindeki gezegenlerin hareketi, yerçekimi etkileşimi yasalarına tam olarak uygun olarak gerçekleşir.

Güçlü etkileşim, çekirdeğin stabilitesinden sorumludur ve yalnızca çekirdeğin boyutuna kadar uzanır. Bir çekirdekteki nükleonların etkileşimi ne kadar güçlü olursa, o kadar kararlı olur, etkileşimin olduğu mesafelerde nükleonları ayırmak ve birbirlerinden uzaklaştırmak için yapılması gereken iş tarafından belirlenen bağlanma enerjisi o kadar büyük olur. sıfıra eşit. Çekirdeğin boyutu arttıkça bağlanma enerjisi azalır. Bu nedenle periyodik tablonun sonundaki elementlerin çekirdekleri kararsızdır ve bozunabilir. Bu işleme genellikle denir radyoaktif bozunma.

Atomlar ve moleküller arasındaki etkileşim ağırlıklı olarak elektromanyetik doğa. Bu etkileşim maddenin çeşitli toplu durumlarının oluşumunu açıklar: katı, sıvı ve gaz. Örneğin katı haldeki bir maddenin molekülleri arasında çekim şeklindeki etkileşim, gaz halindeki aynı moleküller arasındaki etkileşimden çok daha güçlüdür.

Etkileşim yeteneği, maddenin en önemli ve ayrılmaz özelliğidir. Mega, makro ve mikro dünyanın çeşitli maddi nesnelerinin sistemler halinde birleştirilmesini sağlayan etkileşimlerdir. Hepsi ünlü modern bilim kuvvetler temel olarak adlandırılan dört tür etkileşime indirgenir: yerçekimi, elektromanyetik, zayıf ve güçlü.

Yerçekimi etkileşimi ilk kez 17. yüzyılda fizik biliminin inceleme konusu haline geldi. I. Newton'un evrensel çekim yasasına dayanan çekim teorisi, klasik mekaniğin bileşenlerinden biri haline geldi. Evrensel çekim yasası şunu belirtir: İki cisim arasında, kütlelerinin çarpımı ile doğru orantılı ve aralarındaki mesafenin karesi ile ters orantılı olan bir çekim kuvveti vardır (2.3). Herhangi bir maddi parçacık, yerçekimi etkisinin kaynağıdır ve bunu kendi üzerinde deneyimler. Kütle arttıkça yerçekimi etkileşimleri de artar; yani etkileşen maddelerin kütlesi ne kadar büyük olursa, yerçekimi kuvvetleri de o kadar güçlü olur. Yer çekimi kuvvetleri çekim kuvvetleridir. İÇİNDE son zamanlarda fizikçiler, Evrenin varlığının ilk anlarında etkili olan yerçekimsel itme kuvvetinin varlığını öne sürdüler (4.2), ancak bu fikir henüz doğrulanmadı. Yerçekimi etkileşimi şu anda bilinenlerin en zayıfıdır. Yerçekimi kuvveti çok etkilidir uzun mesafeler Mesafe arttıkça yoğunluğu azalır ancak tamamen kaybolmaz. Yerçekimi etkileşiminin taşıyıcısının varsayımsal parçacık gravitonu olduğuna inanılmaktadır. Mikro dünyada yerçekimi etkileşimi önemli bir rol oynamaz, ancak makro ve özellikle mega süreçlerde öncü bir rol oynar.

Elektromanyetik etkileşim 19. yüzyıl fiziğinin çalışma konusu haline geldi. İlk birleşik teori elektromanyetik alan J. Maxwell (2.3) kavramı tanıtıldı. Farklı yerçekimi kuvveti elektromanyetik etkileşimler yalnızca yüklü parçacıklar arasında mevcuttur: elektrik alanı iki sabit yüklü parçacık arasındadır, manyetik alan ise iki hareketli yüklü parçacık arasındadır. Elektromanyetik kuvvetler çekici veya itici kuvvetler olabilir. Olası yüklü parçacıklar birbirini iter, zıt yüklü parçacıklar ise çeker. Bu tür etkileşimin taşıyıcıları fotonlardır. Elektromanyetik etkileşim mikro, makro ve mega dünyalarda kendini gösterir.

20. yüzyılın ortalarında. yaratıldı kuantum elektrodinamiği– temel ilkeleri karşılayan bir elektromanyetik etkileşim teorisi kuantum teorisi ve görelilik teorisi. 1965 yılında yazarları S. Tomanaga, R. Feynman ve J. Schwinger Nobel Ödülü'ne layık görüldü. Kuantum elektrodinamiği yüklü parçacıkların (elektronlar ve pozitronlar) etkileşimini açıklar.

Zayıf etkileşim ancak 20. yüzyılda, 1960'larda keşfedildi. inşa edilmiş genel teori zayıf etkileşim. Zayıf kuvvet parçacıkların bozunmasıyla ilişkilidir, dolayısıyla keşfi ancak radyoaktivitenin keşfinden sonra gerçekleşti. Gözlemlerken radyoaktif bozunma parçacıklar, enerjinin korunumu yasasıyla çelişiyor gibi görünen olaylar keşfedildi. Gerçek şu ki, çürüme süreci sırasında enerjinin bir kısmı “kayboldu”. Fizikçi W. Pauli, bir maddenin radyoaktif bozunması sürecinde, elektronla birlikte yüksek nüfuz gücüne sahip bir parçacığın salındığını öne sürdü. Bu parçacığa daha sonra "nötrino" adı verildi. Zayıf etkileşimlerin bir sonucu olarak, atom çekirdeğini oluşturan nötronların üç tür parçacığa bozunduğu ortaya çıktı: pozitif yüklü protonlar, negatif yüklü elektronlar ve nötr nötrinolar. Zayıf etkileşim, elektromanyetik etkileşimden çok daha küçüktür, ancak yerçekimi etkileşiminden daha büyüktür ve onlardan farklı olarak, 10-22 cm'den fazla olmayan küçük mesafelere yayılır. Bu yüzden uzun zamandır deneysel olarak zayıf etkileşim gözlemlenmedi. Zayıf etkileşimin taşıyıcıları bozonlardır.

1970'lerde genel bir elektromanyetik ve zayıf etkileşim teorisi oluşturuldu. elektrozayıf etkileşim teorisi. Yaratıcıları S. Weinberg, A. Salam ve S. Glashow 1979'da Nobel Ödülü. Elektrozayıf etkileşim teorisi, iki tür temel etkileşimi, tek ve daha derin bir etkileşimin tezahürleri olarak kabul eder. Böylece, 10-17 cm'den daha uzak mesafelerde, olayın elektromanyetik yönü baskın hale gelirken, daha küçük mesafelerde olay daha baskın hale gelir. aynı derecede Hem elektromanyetik hem de zayıf yönler önemlidir. Söz konusu teorinin yaratılması, 19. yüzyılın klasik fiziğinde Faraday-Maxwell teorisi çerçevesinde elektrik, manyetizma ve ışığın 20. yüzyılın son üçte birlik kısmında birleşmesi anlamına geliyordu. zayıf etkileşim fenomeni ile desteklenir.

Güçlü etkileşim da ancak 20. yüzyılda keşfedildi. Protonları atomun çekirdeğinde tutarak elektromanyetik itici kuvvetlerin etkisi altında saçılmalarını önler. Güçlü etkileşim 10-13 cm'yi geçmeyen mesafelerde meydana gelir ve çekirdeklerin stabilitesinden sorumludur. Periyodik tablonun sonundaki elementlerin çekirdekleri yarıçaplarının büyük olması nedeniyle kararsızdır ve buna bağlı olarak güçlü etkileşimin şiddeti kaybolur. Bu tür çekirdekler radyoaktif olarak adlandırılan bozunmaya maruz kalır. Eğitimden güçlü etkileşim sorumludur atom çekirdeği, buna yalnızca ağır parçacıklar katılır: protonlar ve nötronlar. Nükleer etkileşimler parçacıkların yüküne bağlı değildir; bu tür etkileşimlerin taşıyıcıları gluonlardır. Gluonlar, güçlü etkileşimin meydana geldiği bir gluon alanı (elektromanyetik alana benzer) halinde birleştirilir. Güçlü etkileşim, gücü açısından bilinen diğer etkileşimleri aşar ve muazzam bir enerji kaynağıdır. Örnek güçlü etkileşim termo gerçekleştirmek nükleer reaksiyonlar Güneş'te ve diğer yıldızlarda. Hidrojen silahları oluşturmak için güçlü etkileşim ilkesi kullanıldı.

Güçlü etkileşim teorisine denir kuantum kromodinamiği. Bu teoriye göre güçlü etkileşim, hadronlardaki kuarkların bağlanmasıyla sonuçlanan gluon değişiminin sonucudur. Kuantum renk dinamiği gelişmeye devam ediyor ve henüz tam bir güçlü etkileşim kavramı olarak kabul edilemese de, bu fiziksel teorinin sağlam bir deneysel temeli var.

İÇİNDE modern fizik arama devam ediyor birleşik teori Bu, dört tür temel etkileşimin tamamını açıklamayı mümkün kılacaktır. Böyle bir teorinin yaratılması aynı zamanda birleşik bir kavramın inşası anlamına da gelecektir. temel parçacıklar. Bu projeye “Büyük Birleşme” adı verildi. Böyle bir teorinin mümkün olabileceği inancının temeli, kısa mesafelerde (10-29 cm'den az) ve yüksek enerji(1014 GeV'den fazla) elektromanyetik, güçlü ve zayıf etkileşimler aynı şekilde tanımlanır, yani ortak doğaları vardır. Ancak bu sonuç hala sadece teoriktir ve deneysel olarak doğrulanması henüz mümkün olmamıştır.

Çeşitli rakip Büyük Birleşik teoriler kozmolojiyi (4.2) farklı şekilde yorumlamaktadır. Örneğin, Evrenimizin doğduğu anda, dört temel etkileşimin hepsinin aynı şekilde ortaya çıktığı koşulların mevcut olduğu varsayılmaktadır. Dört tür etkileşimin tümünü birleşik bir temelde açıklayan bir teori oluşturmak, kuark teorisinin, kuantum renk dinamiğinin, kuantum renk dinamiğinin bir sentezini gerektirecektir. modern kozmoloji ve göreceli astronomi.

Bununla birlikte, dört tür temel etkileşime ilişkin birleşik bir teori arayışı, maddeye ilişkin diğer yorumların ortaya çıkmasının imkansız olduğu anlamına gelmez: yeni etkileşimlerin keşfi, yeni temel parçacıkların araştırılması vb. Bazı fizikçiler bu olasılığın olasılığı hakkında şüphelerini dile getiriyorlar. birleşik bir teorinin Böylece, sinerjetiğin yaratıcıları I. Prigogine ve I. Stengers, “Zaman, Kaos, Kuantum” kitabında şöyle yazıyor: “çıkarmanın mümkün olacağı böyle bir “her şeyin teorisini” inşa etme umudu tam açıklama fiziksel gerçeklik terk edilmesi gerekecek” ve tezlerini sinerjetik (7.2) çerçevesinde formüle edilen yasalarla gerekçelendirmektedir.

Korunum yasaları, temel parçacıkların etkileşim mekanizmalarının, oluşumlarının ve bozunmalarının anlaşılmasında önemli bir rol oynadı. Makro dünyada geçerli olan korunum yasalarına (enerjinin korunumu yasası, momentumun korunumu yasası ve açısal momentumun korunumu yasası) ek olarak, mikro dünyanın fiziğinde yenileri keşfedildi: enerjinin korunumu yasası. baryon, lepton yükleri, tuhaflık vb.

Her korunum yasası, çevredeki dünyadaki bir çeşit simetriyle ilişkilidir. Fizikte simetri, değişmezlik, bir sistemin dönüşümlerine göre, yani serideki değişikliklere göre değişmezliği olarak anlaşılır. fiziksel koşullar. Alman matematikçi Emma Noether uzay ve zamanın özellikleri ile korunum yasaları arasında bağlantı kurdu klasik fizik. temel teorem matematiksel fizik Noether teoremi olarak adlandırılan, uzayın homojenliğinden momentumun korunumu yasasının, zamanın homojenliğinden - enerjinin korunumu yasasının ve uzayın izotropisinden - açısal momentumun korunumu yasasının çıktığını belirtir. Bu yasalar doğası gereği temeldir ve maddenin tüm varoluş seviyeleri için geçerlidir.

Enerjinin korunumu ve dönüşümü yasası, enerjinin kaybolmadığını ve tekrar ortaya çıkmadığını, yalnızca bir formdan diğerine geçtiğini belirtir. Momentumun korunumu yasası momentumun sabitliğini varsayar kapalı sistem mesai. Açısal momentumun korunumu yasası, kapalı döngü sisteminin açısal momentumunun zaman içinde sabit kaldığını belirtir. Korunum yasaları simetrinin bir sonucudur, yani. değişmezlik, maddi nesnelerin yapısının dönüşümlere göre değişmezliği veya varoluşlarının fiziksel koşullarındaki değişiklikler.

Birbirine indirgenemeyen 4 tür temel etkileşim vardır.

Temel parçacıklar bilinen her türlü etkileşime katılır.

Bunları azalan yoğunluk sırasına göre ele alalım:

1) güçlü,

2) elektromanyetik,

3) zayıf

4) yerçekimi.

Güçlü etkileşim atom çekirdeği seviyesinde meydana gelir ve temsil eder karşılıklı çekim onların bileşenleri. Yaklaşık 10 -13 cm mesafede çalışır.

Bunun sonucunda güçlü etkileşimler oluşur. malzeme sistemleriİle yüksek enerji bağlar - atom çekirdekleri.

Bu nedenle atom çekirdekleri çok kararlıdır ve yok edilmesi zordur. Elektromanyetik etkileşim

güçlü olandan yaklaşık bin kat daha zayıftır, ancak çok daha uzak mesafelerde hareket eder. Bu tür etkileşim, elektrik yüklü parçacıkların karakteristiğidir. Elektromanyetik etkileşim sürecinde elektronlar ve atom çekirdekleri atomlarda, atomlar ise moleküllerde birleşir. Bir bakıma bu etkileşim kimya ve biyolojide temeldir. Zayıf etkileşim muhtemelen farklı parçacıklar arasında. 10 -15 -10 -22 cm mertebesinde bir mesafe boyunca uzanır ve esas olarak parçacıkların bozunması ile ilişkilidir. Mevcut bilgi durumuna göre çoğu parçacık tam olarak zayıf etkileşim nedeniyle kararsızdır. Örnek olarak atom çekirdeğinde neler olur?

nötron dönüşümü , bir proton, elektron ve antinötrinoya dönüşür.

Yerçekimi etkileşimi

en zayıfıdır ve son derece küçük etkiler verdiği için temel parçacıklar teorisinde dikkate alınmaz. Kozmik ölçekte yerçekimi etkileşimi belirleyici öneme sahiptir.

Etki alanı sınırlı değildir.

Temel parçacıkların dönüşümünün meydana geldiği süre, etkileşimin kuvvetine bağlıdır.

Güçlü etkileşimlerle ilişkili nükleer reaksiyonlar 10 -24 -10 -23 saniye içinde gerçekleşir.

Güçlü etkileşimler olmasaydı atom çekirdeği olmazdı, yıldızlar ve Güneş enerji üretemezdi. nükleer enerji sıcaklık ve ışık.

Elektromanyetik etkileşimler olmasaydı atomlar, moleküller, makroskobik nesneler, ısı ve ışık olmazdı.

Zayıf etkileşimler olmasaydı, Güneş'in ve yıldızların derinliklerindeki nükleer reaksiyonlar mümkün olmazdı, süpernova patlamaları meydana gelmez, yaşam için gerekli olan ağır elementler Evren'e yayılamazdı.

Yerçekimi etkileşimi olmasaydı, yalnızca galaksiler, yıldızlar, gezegenler olmazdı, aynı zamanda tüm Evren gelişemezdi çünkü yerçekimi, Evrenin bir bütün olarak birliğini ve evrimini sağlayan birleştirici bir faktördür.

Temel parçacıklardan karmaşık ve çeşitli elementler yaratmak için gerekli dört temel etkileşimin tümü maddi dünya, tek bir temel etkileşimden elde edilebilir - süper güçler .

Çok yüksek sıcaklıklarda (veya enerjilerde) dört etkileşimin tamamının tek bir etkileşimde birleştiği teorik olarak kanıtlanmıştır.

100 GeV enerjide elektromanyetik ve zayıf etkileşimler birleşir.

Bu sıcaklık Evrenin 10-10 saniyedeki sıcaklığına karşılık gelir. Büyük Patlama'dan sonra.

1015 GeV enerjide güçlü bir etkileşim onlara katılıyor.

1019 GeV enerjide dört etkileşimin tümü birleşir.

1 GeV = 1 milyar elektron volt

Temel parçacık araştırmaları alanındaki ilerlemeler atomizm kavramının daha da gelişmesine katkıda bulunmuştur. Şu anda birçok temel parçacık arasında ayrım yapabileceğimize inanılıyor. 12 temel parçacık ve aynı miktarda .

antipartiküller

Altı parçacık egzotik isimlere sahip kuarklardır:

“üst”, “alt”, “büyülenmiş”, “tuhaf”, “gerçek”, “büyüleyici”. Geriye kalan altısı leptondur: , elektron , müon tau parçacığı

ve bunlara karşılık gelen nötrinolar (elektron, müon, tau nötrinoları).

Sıradan madde birinci nesil parçacıklardan oluşur.

Geriye kalan nesillerin yüklü parçacık hızlandırıcılarda yapay olarak oluşturulabileceği varsayılmaktadır. Fizikçiler kuark modelini temel alarak şunları geliştirdiler: modeli

atomların yapısı.

Her atom, ağır bir çekirdekten (proton ve nötronların gluon alanlarına güçlü bir şekilde bağlı) ve bir elektron kabuğundan oluşur. Çekirdekteki proton sayısı seri numarası içindeki eleman periyodik tablo

elementler D.I. Mendeleev. Bir protonun kütlesinin 1836 katı kadar pozitif elektrik yükü vardır elektronun boyutları yaklaşık 10 -13 cm'dir.

Bir nötronun elektrik yükü sıfırdır.

Kuark hipotezine göre bir proton, iki "yukarı" kuarktan ve bir "aşağı" kuarktan ve bir "yukarı" ve iki "aşağı" kuarktan oluşan bir nötrondan oluşur. Katı bir top olarak hayal edilemezler; daha ziyade, doğup kaybolan sanal parçacıklardan oluşan bulanık sınırları olan bir buluta benzerler.

Kuarkların ve leptonların kökeni, doğanın ana “ilk yapı taşları” olup olmadıkları ve ne kadar temel oldukları konusunda hâlâ çözülmemiş sorular var.

Bu soruların cevapları modern kozmolojide aranmaktadır.

Temel parçacıkların boşluktan doğuş süreçlerinin incelenmesi ve Evrenin doğuşu sırasında belirli parçacıkları üreten birincil nükleer füzyon modellerinin oluşturulması büyük önem taşımaktadır.

OTO: Einstein (1915) Bir tanesi en büyük başarılar Son iki bin yılda fizik, evreni yöneten dört tür etkileşimin tanımlanması ve tanımlanması haline geldi. Bunların hepsi Faraday'a borçlu olduğumuz alanların diliyle anlatılabilir. Ancak ne yazık ki bu dört türden hiçbiri, çoğu kitapta anlatılan kuvvet alanlarının tam özelliklerine sahip değildir. fantastik işler

. Bu etkileşim türlerini sıralayalım. 1. Yerçekimi. Ayaklarımızın destekten ayrılmasına izin vermeyen sessiz bir güç. Dünyanın ve yıldızların parçalanmasını önler ve Güneş Sistemi ile Galaksinin bütünlüğünün korunmasına yardımcı olur. Yerçekimi olmasaydı, gezegenin dönüşü bizi saatte 1.600 kilometre hızla Dünya'dan uzaya fırlatırdı. Sorun, yerçekiminin özelliklerinin fantastik kuvvet alanlarının özelliklerinin tam tersi olmasıdır. Yerçekimi itme değil, çekme kuvvetidir; son derece zayıftır - nispeten elbette; çok büyük, astronomik mesafelerde çalışır. Başka bir deyişle, neredeyse tam tersi hemen hemen her yerde bulunabilen düz, ince, aşılmaz bir bariyer veya bir film. Örneğin, bir tüy tüm bir gezegen olan Dünya tarafından zemine çekilir, ancak biz kolayca Dünya'nın yerçekiminin üstesinden gelebilir ve tüyü tek parmağımızla kaldırabiliriz. Parmaklarımızdan birinin çarpması, ağırlığı altı trilyon kilogramdan fazla olan tüm bir gezegenin çekim kuvvetinin üstesinden gelebilir.

2. Elektromanyetizma (EM). Şehirlerimizi aydınlatan güç. Lazerler, radyo, televizyon, modern elektronik, bilgisayarlar, internet, elektrik, manyetizma - bunların hepsi elektromanyetik etkileşimin tezahürünün sonuçlarıdır. Belki de bu, insanlığın tarihi boyunca kullanmayı başardığı en yararlı güçtür. Yerçekiminden farklı olarak hem çekme hem de itme işlevi görebilir. Ancak bu role uygun değil kuvvet alanıçeşitli nedenlerden dolayı. Öncelikle kolaylıkla nötralize edilebilir. Örneğin plastik veya iletken olmayan herhangi bir malzeme, güçlü bir elektrik veya manyetik alana kolayca nüfuz edecektir. Manyetik alana atılan bir plastik parçası, alanın içinden serbestçe uçacaktır. İkincisi, elektromanyetizma büyük mesafelerde çalışır ve bir düzlemde yoğunlaşması kolay değildir. EM etkileşiminin yasaları James Clerk Maxwell denklemleriyle açıklanmaktadır ve kuvvet alanlarının bu denklemlerin çözümü olmadığı görülmektedir.

3 ve 4. Güçlü ve zayıf nükleer etkileşimler. Zayıf kuvvet, radyoaktif bozunma kuvvetidir, ısınan kuvvettir. radyoaktif çekirdek Toprak. Bu kuvvet volkanik patlamaların, depremlerin ve kıtasal levhaların sürüklenmesinin arkasındadır. Güçlü etkileşim atom çekirdeğinin parçalanmasını önler; güneşe ve yıldızlara enerji sağlar ve evrenin aydınlatılmasından sorumludur. Sorun şu ki nükleer etkileşim yalnızca çok küçük mesafelerde, özellikle de atom çekirdeğinde çalışır. Çekirdeğin özelliklerine o kadar sıkı bağlıdır ki kontrol edilmesi son derece zordur. Şu anda bu etkileşimi etkilemenin yalnızca iki yolunu biliyoruz: atom altı parçacık hızlandırıcıdaki parçalara ayrılmak veya bir atom bombasını patlatmak.

Rağmen koruma alanları V bilimkurgu ve bilinen fizik yasalarına uymasalar da, gelecekte bir kuvvet alanının yaratılmasını mümkün kılacak boşluklar hala mevcut. Birincisi, belki de henüz laboratuvarda kimsenin göremediği beşinci tür temel etkileşim vardır. Örneğin, bu etkileşimin astronomik mesafelerde değil, yalnızca birkaç santimetrelik mesafelerde işe yaradığı ortaya çıkabilir. (Ancak beşinci tür etkileşimi keşfetmeye yönelik ilk girişimler olumsuz sonuçlar verdi.)

İkinci olarak, plazmanın kuvvet alanının bazı özelliklerini taklit etmesini sağlayabiliriz. Plazma “maddenin dördüncü halidir”. Maddenin bize tanıdık gelen ilk üç hali katı, sıvı ve gazdır; ancak evrendeki en yaygın madde biçimi plazmadır: iyonize atomlardan oluşan bir gaz. Plazmadaki atomlar birbirine bağlı değildir ve elektronlardan yoksundur, dolayısıyla elektrik yükü. Elektrik ve manyetik alanlar kullanılarak kolaylıkla kontrol edilebilirler.

Evrenin görünür maddesi çoğunlukla çeşitli plazma türleri biçiminde mevcuttur; ondan güneş, yıldızlar ve yıldızlararası gaz oluşur. İÇİNDE sıradan hayat Plazmayla neredeyse hiç karşılaşmıyoruz çünkü bu olay Dünya'da nadir görülüyor; ancak plazma görülebilir. Bunu yapmak için yıldırıma, güneşe veya plazma TV ekranına bakmanız yeterlidir.

Bugün size temel kuvvetlerden veya etkileşimlerden bahsetmek istiyorum. Bunların ne olduğunu, kaç tane olduğunu ve neden ihtiyaç duyulduğunu öğreneceksiniz.

Hadi gidelim!

Temel kuvvetler nelerdir?

Evrenimizde çok sayıda var fiziksel güç ve etkileşimler. Örneğin sürtünme kuvveti, nükleer reaksiyonlar ve kimyasal bağlar. Ancak belirli dört etkileşim dışında hepsi ikincildir. Bunlara “temel” denir. Temel parçacıkların etkileşim türleridir ve doğadaki diğer tüm kuvvetleri belirlerler.

Evrenin başlangıcında tek bir temel etkileşim vardı. Ancak bu uzun sürmedi. Zaten sonraki ilk saniyenin sonunda, tek temel kuvvet dört ayrı etkileşime bölünmüştü: güçlü, zayıf, elektromanyetik ve yerçekimi. Hepsine bakalım.

Güçlü etkileşim.

Hiç atomların neden en çok olduğunu merak ettiniz mi? kimyasal elementler stabil? Görünüşe göre burada karmaşık bir şey yok. Ancak geçen yüzyılın 30'lu yıllarında bu soruya cevap arayışı bu soru bilim adamlarını terletti.

İtibaren okul kursu fizik ve kimya Bir atomun iki parçadan oluştuğunu muhtemelen biliyorsunuzdur: çekirdek ve onun etrafında dönen elektronlar. Çekirdek ise “nükleonlardan” - protonlar ve nötronlardan oluşur.

Atom elektriksel olarak nötrdür. Ancak çekirdeğinde yalnızca pozitif ve nötr yüklü parçacıklar vardır - protonlar ve nötronlar. Yalnızca zıt yüklü cisimlerin birbirini çekebileceği, yani "artı"nın "eksi"ye çekildiği iyi bilinmektedir. Bu nedenle proton ve nötronların birbirini itmesi gerekir. Ancak gerçekte çekirdeğin atomları hâlâ mevcuttur ve bir önemi yoktur. Sebebi nedir?

"Belki de her şey yer çekimiyle ilgilidir?" - o zaman fizikçiler düşündü. Öyle olmadığı ortaya çıktı. En zayıf etkileşim olan yer çekimi etkileşimi, elektromanyetik kuvvetlere dayanamaz.

Bu, bazılarının yeterli olduğu anlamına gelir güçlü kuvvet nükleonları çekirdeğin kararlı atomlarına bağlar. Buna “güçlü etkileşim” denir. Daha sonra kuarkları (temel parçacık gruplarından birinin temsilcileri) de bağladığı ortaya çıktı. kompozit parçacıklar"hadronlar" olarak adlandırılır - örneğin aynı protonlar ve nötronlar.

Güçlü etkileşim kuarkları, hadronları ve gluonları içerir. Gluonların kütlesi yoktur ve güçlü kuvvetin taşıyıcılarıdır. Kuarklar tarafından değiştirilirler ve böylece bu temel kuvveti gerçekleştirirler.

Güçlü nükleer kuvvet doğadaki en güçlü kuvvettir. Elektromanyetikten bin kat, “zayıf nükleer”den ise 100.000 kat daha güçlüdür ve gücü yerçekimini 10 39 (10 üzeri 39) kat kadar aşmaktadır.

Güçlü etkileşim acımasızdır; bu nedenle bilim adamları kuarkları serbest durumda gözlemleyemezler. Bu zavallı parçacıklar sonsuza dek hadronlarda sıkışıp kalır. Kuarkların birbirlerinden ne kadar uzaksa çekimlerinin de o kadar güçlü olduğu ortaya çıktı. Dolayısıyla bu parçacıkların uzayda tek başına dolaştıkları hiçbir zaman gözlenmez ve yalnızca hadronlarda bulunur.

Elektromanyetizma.

İÇİNDE elektromanyetik etkileşim Elektrik yükü olan tüm cisimler ve parçacıklar buna dahildir. Bununla birlikte, istisnalar da vardır - yüklü olanlardan oluşan nötr parçacıklar katılabilir. Çarpıcı bir örnek bir nötrondur. Nötr bir yükü vardır ancak yüklü kuarklardan oluşur.

Elektromanyetik etkileşim, yüklü parçacıklar arasında bir elektromanyetik alan aracılığıyla meydana gelir. Onun kuantumu (temel parçacık) fotondur - aynı zamanda tüm evrenin trolüdür.

Elektromanyetizma, yüklü parçacıkların birbirleriyle etkileşime girerek foton alışverişinde bulunması gerçeğinde yatmaktadır.

Elektromanyetik kuvvetler, kuvvet ve çekim (bir cisim) şeklinde ortaya çıkar. pozitif yük negatif yüklüye çekilir) ve itilir.

Bu etkileşim çok önemli rol etkileşimi nedeniyle doğada bulunur. Moleküllerin yapısını (kimyasal bağlar) belirler ve elektronik kabuklar atomlarda. Bu nedenle pek çok şey elektromanyetizma ile ilgilidir.

Dikkate alınan olağan fiziksel güçlerin çoğu " klasik mekanik"Newton - sürtünme kuvveti, esneklik, yüzey gerilimi vesaire. - elektromanyetik bir yapıya sahiptir.

Elektromanyetik kuvvetler de belirler çoğu fiziksel özellikler makrokozmosun bedenleri ve bunların birinden geçiş sırasındaki değişiklikleri toplama durumu diğerine. Bu etkileşim elektriksel, manyetik, optik ve kimyasal olayların temelini oluşturur.

Zayıf nükleer kuvvetler.

Zayıf etkileşim atom çekirdeğinden çok daha küçük mesafelerde meydana gelir. Yukarıda açıklanan iki temel kuvvetten daha zayıftır ancak yerçekiminden daha güçlüdür.

Zayıf nükleer kuvvetler iki grup temel parçacığı (leptonlar ve kuarklar) ve hadronları içerir. Zayıf etkileşim sürecinde parçacıklar, kütlesiz gluonlar ve fotonların aksine oldukça büyük olan “taşıyıcıları” - W- ve Z-bosonlarını değiştirirler.

Zayıf nükleer kuvvetler doğada önemli bir rol oynar. Sızıntı termonükleer reaksiyonlar yıldızlarda tam olarak bu etkileşimden kaynaklanmaktadır. Başka bir deyişle, zayıflar sayesinde nükleer kuvvetler Güneş ve diğer gaz kütleleri yanıyor.

Ama hepsi bu değil. Zayıf kuvvet atom çekirdeğinin beta bozunmasından sorumludur. Bu süreç biridir üç tip radyoaktivite. Çekirdek tarafından “beta parçacıklarının” emisyonundan oluşur: elektronlar veya pozitronlar.

Sayesinde zayıf etkileşim sözde "zayıf çürüme". Bu, büyük parçacıkların daha hafif olanlara bölündüğü zamandır. Önemli bir özel durum, bir nötronun bozunmasıdır; bir protona, elektrona ve antinötrinoya dönüşebilir.

Yer çekimi.

Evrensel temel etkileşim. Temel parçacıklardan devasa galaksilere kadar tüm maddi cisimler buna tabidir. Bu temel kuvvet en zayıf olanıdır ve arzuyla ifade edilir. maddi organlar birbirlerine - çekim.

Yerçekimi uzun menzilli bir kuvvettir ve Evrendeki en küresel süreçleri kontrol eder. Bu sayede yıldızlar ve kümeleri galaksiler halinde gruplandırıldı. Bu sayede bulutsularda gaz yıldızları oluşuyor, uzaydaki soğuk taş parçaları gezegenler halinde gruplanıyor ve sizin tarafınızdan fırlatılan bir top mutlaka yere düşecek.

Yerçekimi onlarca yıldır fizikçileri kandırıyor. Bu, iki ana kişi arasında uzun vadeli bir çatışmanın konusudur. fiziksel teoriler: kuantum mekaniği ve görelilik teorisi. Ama neden?

Gerçek şu ki, genel görelilik teorisi ve kuantum fiziği farklı prensipler üzerine kuruludur ve bu temel kuvveti farklı şekillerde tanımlamaktadır.

Einstein, yerçekimini, maddi cisimlerin kütlelerinden dolayı uzay-zamanın kendisinin eğriliği olarak açıkladı. Ve kuantum fiziği onu "kuantize eder"; kendi taşıyıcı parçacıklarına sahip bir etkileşim olarak tanımlar. Bunlara "graviton" denir.

Kuantum mekaniğinde uzay-zaman bir “dinamik değişken” ile temsil edilmez; içinde bulunan bedenlere ve sistemlere bağlı değildir. Bu da görelilik teorisine aykırıdır.

Ancak en şaşırtıcı olanı, temel farklılıklara rağmen bu iki teorinin tamamının deneysel olarak kanıtlanmış olmasıdır. Kuantum mekaniği Mikro dünyayı mükemmel bir şekilde tanımlar ve görelilik teorisi, Evreni makroskobik ölçekte tanımlar.

Şimdi göreliliği birleştirme girişimleri var. kuantum fiziği ve yerçekimini kusursuz bir şekilde tanımlayın. Sonra bir “her şeyin teorisi” inşa edilecek ve bu başlığın asıl adayı, 11 boyutuyla ağzına kadar dolanmış “sicim teorisi” olacak.

İşte bu kadar!

Temel etkileşimler nelerdir?