Тема 10 физическое взаимодействие

ПРОБЛЕМЫ УЧЕНИЯ О ВЗАИМОДЕЙСТВИИ И ДВИЖЕНИИ

Связь, взаимодействие и движение представляют собой важнейшие атрибуты материи, без которых невозможно ее су­ществование. Взаимодействие обусловливает соединение раз­личных материальных элементов в системы, системную орга­низацию материи. Все свойства тел производны от взаимодей­ствий, являются результатом их структурных связей и внешних взаимодействий между собой.

Взаимодействие представляет собой развертывающийся во времени и пространстве процесс воздействия одних объектов на другие путем обмена материей и движением. Взаимодейст­вие выступает как движение материи, а любое движение вклю­чает в себя различные виды взаимодействия. По сущестру, эти понятия совпадают, хотя часто употребляются в разных кон­текстах. Когда мы говорим о движении, то имеем в виду не столько внутренние изменения, основанные на структурных взаимодействиях, составляющих систему элементов материи, сколько внешнее пространственное перемещение тел, где взаи­модействия как будто не видно. Но если взглянуть глубже, то и при пространственном перемещении тел обязательно есть их взаимодействие с окружающей средой и материальными поля­ми, в результате чего изменяются свойства тел. Не существует такого движения, в содержании которого не было бы взаимо­действия элементов материи, так же, как и всякое взаимодейст­вие выступает как определенное изменение и движение.

Взаимодействие и движение являются формой существова­ния материи. Для всякого объекта существовать -значит взаи­модействовать, как-то проявлять себя по отношению к другим телам, находиться с ними в объективных отношениях. Именно взаимодействие и движение являются объективными крите­риями существования тел.

Следуя объективной логике развития природы, можно вы­делить несколькд форм движения: в неживой природе, в живой природе и в обществе. Физика занимается исследованием про­цессов, происходящих в неживой природе и являющихся фун­даментом гораздо более сложных процессов, происходящих на более высоких уровнях организации материи.

Несомненные успехи физических наук за последнее столетие привели к необычайному углублению наших знаний в этой облас­ти бытия и особенно в теории взаимодействия и движения материи.

Долгое время физика понимала движение как простое ме­ханическое движение, но затем было осознано, что оно являет­ся лишь частным случаем пространственного перемещения -любого изменения положения тела и его элементов в про­странстве, связанного и с изменением во времени. Так, механи­ческим является движение по определенной траектории, но существует бестраекторное пространственное перемещение ти­па сферического распространения фронта электромагнитных волн в полях, а также гравитационных волн в поде тяготения. Движению элементарных частиц тоже нельзя приписать опре­деленную траекторию, как у материальной точки.

Но любые формы движения, изучаемые физикой, есть про­явление глубинных свойств материи - так называемых фунда­ментальных взаимодействий. Это силы гравитационного, элек­тромагнитного, сильного и слабого взаимодействий.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ФИЗИЧЕСКИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ

В основе каждого фундаментального взаимодействия ле­жит изначально присущее веществу особое свойство, природу которого удастся выяснить лишь в ходе дальнейших, все более глубоких исследований природы вещества и вакуума. Носите­лем способности частиц к взаимодействиям, а так#е количест­венной мерой самого взаимодействия служит понятие заряда. Каждая частица изначально обладает одним или несколькими зарядами, причем между собой взаимодействуют только одно­типные заряды, а заряды разных типов друг друга «не замеча­ют». Наименьшее дискретное значение заряда (квант) называ­ют единичным зарядом. Сила взаимодействия во всех случаях пропорциональна произведению зарядов двух взаимодейст­вующих частиц, более сложно она зависит от расстояния меж­ду частицами.

По современным представлениям взаимодействие любого вида должно иметь своего физического агента, без посредника оно не протекает. В основе такого требования лежит тот факт, что скорость передачи воздействия ограничена фундаменталь­ным пределом - скоростью света. Поэтому притяжение или отталкивание частиц передается через среду, их разделяющую. Такой средой является вакуум. При создании теории взаимо­действия используют определенную модель процесса: заряд-фермион создает вокруг частицы поле, порождающее прису­щие ему частицы-бозоны; по своей природе это поле близко к тому состоянию, которое физики приписывают вакууму. Ина­че говоря, заряд частицы возмущает вакуум, и это возмущение с затуханием передается на Определенное расстояние; частицы поля являются виртуальными - существуют очень короткое время и в эксперименте не могут быть обнаружены; оказав­шись в радиусе действия своих однотипных зарядов, две ре­альные частицы начинают стабильно обмениваться виртуаль­ными бозонами: одна частица испускает бозон и тут же по­глощает идентичный бозон, испущенный частицей-партнером, и наоборот; обмен бозонами создает эффект притяжения или отталкивания частиц-хозяев.

Таким образом, каждой частице, участвующей в одном из фундаментальных взаимодействий, соответствует своя бозон-ная частица - переносчик взаимодействия. Очень важным фактором является наличие массы у частиц, в том числе и у

некоторых переносчиков взаимодействия (вопрос о проис­хождении массы у частиц до сих пор не решен, предполагает­ся, что она появляется в результате особой формы взаимодей­ствия частиц со структурой вакуума) - от этого зависит радиус действия соответствующих сил.

ГРАВИТАЦИОННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

Это самое слабое из всех взаимодействий. В макромире оно проявляет себя тем сильнее, чем крупнее массы взаимодейст­вующих тел, а в микромире оно теряется на фоне куда более могучих сил. Так, сила электростатического отталкивания

электронов в Ю^раз больше силы их гравитационного при­тяжения. И только при экстремально высокой плотности ве­щества, равной 10⁹⁴г/см³ (планковская плотность), гравита­ционные взаимодействия в микромире сравниваются по своей значимости с другими господствующими там силами.

В классической физике такое взаимодействие описывается известным законом тяготения Ньютона. Гравитационные взаимодействия обусловливают образование всех космических систем, а также концентрацию рассеянной в ходе эволюции звезд и галактик материи и включение ее в новые циклы разви­ тия. Скорость распространения гравитационных волн считает­ ся равной скорости света в вакууме, но достоверно гравитаци­ онные волны еще не зарегистрированы измерительными уст­ ройствами. .

В рамках полевых представлений гравитационный заряд, согласно Эйнштейну, эквивалентен инертной массе вещества. } Создаваемое им поле тяготения должно иметь свою бозонную' частицу. Такую гипотетическую частицу назвали гравитоном. Экспериментально она пока не найдена.

Движение массивного тела под действием реальной силы должно вызывать возмущение своего же гравитационного по­ля, распространяющегося со скоростью света в форме грави­тационной волны. Из-за ничтожной малости гравитационной силы волна имеет малую амплитуду. Даже такие грандиозные космические события, как взрыв сверхновой или коллапс мас­сивной звезды, создают гравитационные волны, по оценкам лежащие за пределами чувствительности современных реги­стрирующих приборов. Тем не менее американским физикам Р. Хялси и Дж. Тейлору удалось косвенно подтвердить сущест­вование гравитационных волн, за что в 1993 г. они получили Нобелевскую премию.

Для гравитации не существует противоположной эквива­лентной силы отталкивания (антигравитации), все античасти­цы обладают положительными значениями массы и энергии.

Итак, с точки зрения квантовой теории гравитации, поле тяготения подвергается квантованию, квантами этого поля яв­ляются гравитоны. Силы тяготения являются результатом по­стоянного обмена между телами гравитонами или гравитаци­онными волнами. Они переносят энергию, обладают про­странственно-временными свойствами, импульсом и другими характеристиками, присущими материальным объектам. Но в общей теории относительности существует и противополож­ное понимание гравитации - как проявления кривизны про­странственно-временного континуума, тем самым гравитация сводится к метрическим особенностям пространства-времени. Поле тяготения создает искривление пространства, тем боль­шее, чем больше тяготеющая масса.

Какая из этих теорий верна или хотя бы ближе к истине, покажет будущее.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

Этот вид взаимодействия также обладает универсальным характером и существует между любыми телами, но, в отличие от гравитационного взаимодействия, которое всегда выступа­ет в виде притяжения, электромагнитное взаимодействие мо­жет проявляться и как притяжение (между разноименными за­рядами), и как отталкивание (между одинаковыми зарядами).

Благодаря электромагнитным связям возникают атомы, молекулы и макроскопические тела. Все химические реакции представляют собой проявление электромагнитных взаимо­действий, являются результатами перераспределения связей между атомами в молекулах, перестройки электронных оболо­чек атомов и молекул, а также количества и состава атомов в молекулах разных веществ. Изучением этих процессов занима­ется химия.

На заре развития науки об электричестве электрические и магнитные компоненты этого взаимодействия рассматривались как независимые, не связанные между собой родством. Мак­свелл доказал, что обе силы - это проявление одного и того же феномена. Так в науке впервые было показано, что за внешним различием природных сил может скрываться их глубокая общность. Электродинамика Максвелла явилась законченной классической теорией электромагнетизма, сохраняющей свое значение и в наши дни.

Современная физика создала более совершенную и точную теорию электромагнетизма, в которой учтены и квантово-полевые аспекты явления. Эта теория названа квантовой элек­тродинамикой. Так же как физике неизвестна причина сущест­вования массы, так же ей неизвестна и природа электромаг­нитного заряда. Поэтому теория начинается с постулирования существования этого заряда. Заряд создает поле, квантом ко­торого служит безмассовый бозон - фотон со спином, равным 1. Электрический заряд проявляется в двух разновидностях: заряд, присущий электрону, назван отрицательным; заряд, присущий протону и позитрону, назван положительным. Взаимодействие зарядов обеспечивается обменом виртуальных фотонов. В случае разноименных зарядов обмен создает эф­фект притяжения, а в случае одноименных - отталкивания. Во всех процессах с участием электромагнитных зарядов выпол­няется закон сохранения заряда, импульса, энергии и др.