Взаимодействия и движение структур материального мира Четыре вида взаимодействий и их характеристика

Все отмеченные выше структурные объекты мира объединяются в системы вследствие взаимодействий между собой. Взаимодействие – объективная и универсальная форма движения, развития, определяет существование и структурную организацию любой материальной системы; это влияние объектов друг на друга, определяющее их взаимнуюобусловленность и порождение одним объектом другого. Под взаимодействием в более узком смыслепонимают такие процессы, в ходе которых между взаимодействующими структурами исистемами происходит обмен квантами определенных полей.

В природе существуют качественно различные системы связанных объектов: ядра – связанные системы протонов и нейтронов; атомы – связанные ядра и электроны; макротела – совокупность атомов и молекул; Солнечная система – “связка” планет и массивной звезды; галактика – “связка” звезд. Наличие связанных систем объектов говорит о том, что должно существовать нечто такое, что скрепляет части системы в целое. Чтобы “разрушить” систему частично или полностью, нужно затратить энергию. Взаимное влияние частей системы илиструктурных единиц происходит посредством полей (гравитационного, электрического,магнитного и др.) и характеризуется энергией взаимодействия. В настоящее время принято считать, что любые взаимодействия каких угодно объектов могут быть сведены к ограниченному классу четырех основных фундаментальных взаимодействий: сильному, электромагнитному, слабому и гравитационному (в том числе и между элементарными частицами). Интенсивность взаимодействия принято характеризовать с помощью так называемойконстанты взаимодействия, которая представляет собой безразмерный параметр, определяющий вероятность процессов, обусловленных данным видом взаимодействия.

Отношение значений констант дает относительную интенсивность соответствующих взаимодействий. Кратко охарактеризуем каждый из этих четырех видов взаимодействий.

Сильные (ядерные) взаимодействия. Наличие в ядрах одинаково заряженных протонов и нейтральных частиц говорит о том, что должны существовать взаимодействия гораздо интенсивнее электромагнитных, иначе ядро не могло образоваться. Эти взаимодействия (их называют сильными) проявляются лишь в пределах ядра. Этот вид взаимодействияобеспечивает связь нуклонов в ядре. Константа сильного взаимодействия имеет величину порядка 1.Наибольшее расстояние, на котором проявляется сильное взаимодействие (радиус действия r),составляет примерно 10^–13см.

Электромагнитные взаимодействия.Ими обусловлены связи в атомах, молекулах и обычных макротелах. Энергия ионизации атома, то есть энергия отрыва электрона от ядра, определяет значение электромагнитного взаимодействия, существующего в атоме. Теплотапарообразования, то есть энергия перехода жидкость – пар (при атмосферном давлении),определит, правда довольно грубо, значение межмолекулярных взаимодействий в теле.Последние же имеют электромагнитное происхождение. Константа взаимодействия равна 10^–3. Радиус действия не ограничен (r= ∞).

Слабые взаимодействия.Это взаимодействие ответственно за все виды-распада ядер (включаяе-захват), за многие распады элементарных частиц, а также за все процессывзаимодействия нейтрино с веществом. Константа взаимодействия равна по порядку величины10^–15. Слабое взаимодействие, как и сильное, является короткодействующим. Как отмечалось,избольшого списка элементарных частиц только электрон, протон, фотон и нейтрино всех типовявляются стабильными. Под влиянием “внутренних причин” нестабильные свободныечастицы за те или иные характерные времена превращаются в другие частицы. Медленные распады с характерным временем 10^–10–10^–6с происходят за счет так называемого слабого взаимодействия, тогда как быстрый распад (10^–16с) происходит под влиянием электромагнитных взаимодействий.

Гравитационные взаимодействия (тяготения). Притяжение тел к Земле, существование Солнечной системы, звездных систем (галактик) обусловлено взаимодействием сил тяготения, или иначе – гравитационными взаимодействиями. Эти взаимодействия универсальны, то есть применимы к любым микро- и макрообъектам. Однако они существенны лишь для тел огромных астрономических масс и для формирования структуры и эволюции Вселенной как целого. Гравитационные взаимодействия очень быстро ослабевают для объектов с малыми массами и практически не играют роли для ядерных и атомных систем. Проявления гравитации количественно были изучены одними из первых. Это неслучайно, ибо источником гравитации являются массы тел, а дальность гравитационного взаимодействия не ограничена. Константа взаимодействия имеет значение порядка 10^–39. Радиус действия не ограничен (r= ∞). Гравитационное взаимодействие является универсальным, ему подвержены все без исключения элементарные частицы. Однако в процессах микромира гравитационное взаимодействие ощутимой роли не играет. Характеристики видов взаимодействий приведены в табл. 2.

Таблица 2

Взаимодействия в природе

 

Вид взаимодействия	Сила взаимодействия (относительные единицы)	Полевой квант	Область проявления
Сильные	–15 ≤ 1	Пионы Глюоны	Атомные ядра Фундаментальные частицы
Электромагнитные	–10–3	Фотоны	Атомы, электротехника
Слабые	–10–15	Z0-,W(±)-бозоны	Радиактивный распад, распадные процессы
Гравитационные	–10–39	Гравитоны	Массивные тела и фотон

Если рассматривать только элементарные частицы, то интенсивность различных взаимодействий по отношению к сильным распределяется следующим образом: сильное –1, электромагнитное ~10^–3, слабое ~10^–15, гравитационное ~10^–39.

В вопросах строения и развития мира как целого роль гравитации становится определяющей. Исследование же конкретных небесных объектов (звезд, пульсаров, квазаров и др.) невозможно без привлечения всех видов фундаментальных взаимодействий.

Несомненно, приведенная классификация взаимодействий отражает современный уровень развития науки. В будущем, возможно, взаимодействия будут либо объединены,либо их останется меньше, если обнаружатся связи между константами взаимодействия.Например, уже удалось описать в рамках единой теории электромагнитное и слабое взаимодействия. Между константами взаимодействия и характеристиками Вселенной существует какая-то удивительная зависимость. Например, отношение радиуса Метагалактики(R= 5 ∙ 10²⁷см) к размерам атома равно отношению электромагнитных и гравитационных сил, действующих между элементарными частицами.