Четыре движущих силы вселенной. Школьная энциклопедия 4 основных сил реальности

Одним из величайших достижений физики за последние два тысячелетия стало выделение и определение четырех видов взаимодействия, которые правят вселенной. Все они могут быть описаны на языке полей, которым мы обязаны Фарадею. К несчастью, однако, ни один из четырех видов не обладает в полной мере свойствами силовых полей, описанных в боль­шинстве фантастических произведений. Перечислим эти виды взаимодействия. Пайлекс цена .

1. Гравитация. Безмолвная сила, не позволяющая нашим ногам оторваться от опоры. Она не дает рассы­паться Земле и звездам, помогает сохранить целост­ность Солнечной системы и Галактики. Без гравитации вращение планеты вышвырнуло бы нас с Земли в космос со скоростью 1000 миль в час. Проблема в том, что свойства гравитации в точности противо­положны свойствам фантастических силовых полей. Гравитация - сила притяжения, а не отталкивания; она чрезвычайно слаба - относительно, разумеется; она работает на громадных, астрономических расстоя­ниях. Другими словами, являет собой почти полную противоположность плоскому, тонкому, непроницае­мому барьеру, который можно встретить едва ли не в любом фантастическом романе или фильме. К приме­ру, перышко к полу притягивает целая планета - Зем­ля, но мы легко можем преодолеть притяжение Земли и поднять перышко одним пальцем. Воздействие одного нашего пальца способно преодолеть силу притяжения целой планеты, которая весит больше шести триллио­нов килограммов.

2. Электромагнетизм (ЭМ). Сила, освещающая наши города. Лазеры, радио, телевидение, современная электроника, компьютеры, Интернет, электричество, магнетизм - все это следствия проявления электро­магнитного взаимодействия. Возможно, это самая по­лезная сила, которую удалось обуздать человечеству на протяжении всей его истории. В отличие от гравитации она может работать и на притяжение, и на отталкива­ние. Однако и она не годится на роль силового поля по нескольким причинам. Во-первых, ее можно легко нейтрализовать. К примеру, пластик или любой другой непроводящий материал без труда проникнет в мощ­ное электрическое или магнитное поле. Кусок пласти­ка, брошенный в магнитное поле, свободно пролетит его насквозь. Во-вторых, электромагнетизм действует на больших расстояниях, его непросто сосредоточить в плоскости. Законы ЭМ-взаимодействия описываются уравнениями Джеймса Клерка Максвелла, и похоже, силовые поля не являются решением этих уравнений.

3 и 4. Сильные и слабые ядерные взаимодействия. Слабое взаимодействие - это сила радиоактивно­го распада, та, что разогревает радиоактивное ядро Земли. Эта сила стоит за извержениями вулканов, зем­летрясениями и дрейфом континентальных плит. Силь­ное взаимодействие не дает рассыпаться ядрам атомов; оно обеспечивает энергией солнце и звезды и отвечает за освещение Вселенной. Проблема в том, что ядерное взаимодействие работает только на очень маленьких расстояниях, в основном в пределах атомного ядра. Оно так прочно связано со свойствами самого ядра, что управлять им чрезвычайно трудно. В настоящее время нам известно только два способа влиять на это взаимо­действие: мы можем разбить субатомную частицу на части в ускорителе или взорвать атомную бомбу.

Хотя защитные поля в научной фантастике и не подчиня­ются известным законам физики, все же существуют лазейки, которые в будущем, вероятно, сделают создание силового поля возможным. Во-первых, существует, возможно, пятый вид фун­даментального взаимодействия, который никому до сих пор не удалось увидеть в лаборатории. Может оказаться, к примеру, что это взаимодействие работает только на расстояниях от не­скольких дюймов до фута - а не на астрономических расстоя­ниях. (Правда, первые попытки обнаружить пятый вид взаимо­действия дали отрицательные результаты.)

Во-вторых, нам, возможно, удастся заставить плазму ими­тировать некоторые свойства силового поля. Плазма - это «четвертое состояние вещества». Три первые, привычные нам состояния вещества, - твердое, жидкое и газообразное; тем не менее самой распространенной формой вещества во вселенной является плазма: газ, состоящий из ионизированных атомов. Атомы в плазме не связаны между собой и лишены электро­нов, а потому обладают электрическим зарядом. Ими можно без труда управлять при помощи электрического и магнитного полей.

Видимое вещество вселенной существует по большей ча­сти в форме различного рода плазмы; из нее образованы солн­це, звезды и межзвездный газ. В обычной жизни мы почти не сталкиваемся с плазмой, потому что на Земле это явление редкое; тем не менее плазму можно увидеть. Для этого доста­точно взглянуть на молнию, солнце или экран плазменного телевизора.

Взаимодействие – основная причина движения материи, поэтому взаимодействие присуще всем материальным объектам независимо от их природного происхождения и системной организации. Особенности различных взаимодействий определяют условия существования и специфику свойств материальных объектов. Всего известно четыре вида взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое.

Гравитационное взаимодействие первым из известных фундаментальных взаимодействий стало предметом исследования ученых. Оно проявляется во взаимном притяжении любых материальных объектов, имеющих массу, передается посредством гравитационного поля и определяется законом всемирного тяготения, который был сформулирован И. Ньютоном

Закон всемирного тяготения описывает падение материальных тел в поле Земли, движение планет Солнечной системы, звезд и т. п. По мере увеличения массы вещества гравитационные взаимодействия возрастают. Гравитационное взаимодействие – наиболее слабое из всех известных современной науке взаимодействий. Тем не менее гравитационные взаимодействия определяют строение всей Вселенной: образование всех космических систем; существование планет, звезд и галактик. Важная роль гравитационного взаимодействия определяется его универсальностью: все тела, частицы и поля участвуют в нем.

Переносчиками гравитационного взаимодействия являются гравитоны – кванты гравитационного поля.

Электромагнитное взаимодействие также является универсальным и существует между любыми телами в микро-, макро– и мегамире. Электромагнитное взаимодействие обусловлено электрическими зарядами и передается с помощью электрического и магнитного полей. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное – при движении электрических зарядов. Электромагнитное взаимодействие описывается: законом Кулона, законом Ампера и др. и в обобщенном виде – электромагнитной теорией Максвелла, связывающей электрическое и магнитное поля. Благодаря электромагнитному взаимодействию возникают атомы, молекулы и происходят химические реакции. Химические реакции представляют собой проявление электромагнитных взаимодействий и являются результатами перераспределения связей между атомами в молекулах, а также количества и состава атомов в молекулах разных веществ. Различные агрегатные состояния вещества, силы упругости, трения и т. д. определяются электромагнитным взаимодействием. Переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны – кванты электромагнитного поля с нулевой массой покоя.

Внутри атомного ядра проявляются сильные и слабые взаимодействия. Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре. Данное взаимодействие определяется ядерными силами, обладающими зарядовой независимостью, короткодействием, насыщением и другими свойствами. Сильное взаимодействие удерживает нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре и кварки внутри нуклонов и отвечает за стабильность атомных ядер. С помощью сильного взаимодействия ученые объяснили, почему протоны ядра атома не разлетаются под действием электромагнитных сил отталкивания. Сильное взаимодействие передается глюонами – частицами, «склеивающими» кварки, которые входят в состав протонов, нейтронов и других частиц.

Слабое взаимодействие также действует только в микромире. В этом взаимодействии участвуют все элементарные частицы, кроме фотона. Оно обусловливает большинство распадов элементарных частиц, поэтому его открытие произошло вслед за открытием радиоактивности. Первая теория слабого взаимодействия была создана в 1934 г. Э. Ферми и развита в 1950-е гг. М. Гелл-Маном, Р. Фейнманом и другими учеными. Переносчиками слабого взаимодействия принято считать частицы с массой в 100 раз больше массы протонов – промежуточные векторные бозоны.

Характеристики фундаментальных взаимодействий представлены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Характеристики фундаментальных взаимодействий

Из таблицы видно, что гравитационное взаимодействие гораздо слабее других взаимодействий. Радиус его действия неограничен. Оно не играет существенной роли в микропроцессах и в то же время является основным для объектов с большими массами. Электромагнитное взаимодействие сильнее гравитационного, хотя радиус его действия также неограничен. Сильное и слабое взаимодействия имеют очень ограниченный радиус действия.

Одна из важнейших задач современного естествознания – создание единой теории фундаментальных взаимодействий, объединяющей различные виды взаимодействия. Создание подобной теории означало бы также построение единой теории элементарных частиц.

Чтобы понять, стоит ли продолжать писать короткие этюды, объясняющие буквально на пальцах разные физические явления и процессы. Результат развеял мои сомнения. Продолжу. Но чтобы подойти к довольно сложным явлениям придется делать отдельные последовательные серии постов. Так, чтобы дойти до рассказа об устройстве и эволюции Солнца и других типов звезд придется начать с описания типов взаимодействия между элементарными частичами. С этого и начнем. Без формул.
Всего в физике известно четыре типа взаимодействия. Хорошо знакомые все гравитационное и электромагнитное . И почти неизвестные широкой публике сильное и слабое . Опишем их последовательно.
Гравитационное взаимодействие . Человек знаком с ним издревле. Ибо постоянно находится в поле тяжести Земли. А из школьной физики мы знаем, что сила гравитационного взаимодействия между телами пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Под воздействием гравитационной силы Луна вращается вокруг Земли, Земля и другие планеты - вокруг Солнца, а последнее вместе с другими звездами - вокруг центра нашей Галактики.
Довольно медленное убывание силы гравитационного взаимодействия с расстоянием (обратно пропорционально квадрату расстояния) заставляет физиков говорить об этом взаимодействии как о дальнодействующем . Кроме того, действующие между телами силы гравитационного взаимодействия являются только силами притяжения.
Электромагнитное взаимодействие . В самом простейшем случае электростатического взаимодействия, как мы знаем из школьной физики, сила притяжения или отталкивания между электрически заряженными частицами пропорциональна произведению их электрических зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Что очень похоже на закон гравитационного взаимодействия. Отличие лишь в том, что электрические заряды с одинаковыми знаками отталкиваются, а с разными - притягиваются. Поэтому электромагнитное взаимодействие, как и гравитационное, физики называют дальнодействующим .
В то же время электромагнитное взаимодействие сложнее гравитационного. Из школьной физики мы знаем, что электрическое поле создается электрическими зарядами, магнитных зарядов в природе не существует, а магнитное поле создается электрическими токами.
На самом деле электрическое поле может создаваться еще и изменяющимся во времени магнитным полем, а магнитное поле - изменяющимся во времени электрическим полем. Последнее обстоятельство дает возможность существовать электромагнитному полю вообще без электрических зарядов и токов. И эта возможность реализуется в виде электромагнитных волн. Например, радиоволн и квантов света.
Из-за одинаковой зависимости от расстояния электрических и гравитационных сил естественно попытаться сравнить их интенсивности. Так, для двух протонов силы гравитационного притяжения оказываются в 10 в 36-й степени раз (миллиард миллиардов миллиардов миллиардов раз) слабее сил электростатического отталкивания. Поэтому в физике микромира гравитационным взаимодействием вполне обоснованно можно пренебрегать.
Сильное взаимодействие . Это - близкодействующие силы. В том смысле, что они действуют на расстояниях только порядка одного фемтометра (одной триллионной части миллиметра), а на больших расстояниях их влияние практически не ощущаются. Более того, на расстояниях порядка одного фемтометра сильное взаимодействие примерно в сотню раз интенсивнее электромагнитного.
Именно поэтому одинаково электрически заряженные протоны в атомном ядре не отталкиваются друг от друга электростатическими силами, а удерживаются вместе сильным взаимодействием. Поскольку размеры протона и нейтрона составляют около одного фемтометра.
Слабое взаимодействие . Оно действительно очень слабое. Во-первых, оно действует на расстояниях в тысячу раз меньших одного фемтометра. А на больших расстояниях практически не ощущается. Поэтому оно, как и сильное, принадлежит к классу близкодействующих . Во-вторых, его интенсивность примерно в сотню миллиардов раз меньше интенсивности электромагнитного взаимодействия. Слабое взаимодействие отвечает за некоторые распады элементарных частиц. В том числе - свободных нейтронов.
Существует лишь один тип частиц, которые взаимодействуют с веществом только через слабое взаимодействие. Это - нейтрино. Через каждый квадратный сантиметр нашей кожи ежесекундно проходит почти сотня миллиардов солнечных нейтрино. И мы их совершенно не замечаем. В том смысле, что за время нашей жизни вряд ли несколько штук нейтрино провзаимодействует с веществом нашего тела.
Говорить же о теориях, описывающих все эти типы взаимодействий не будем. Ибо для нас важна качественная картина мира, а не изыски теоретиков.

ВОПРОСЫ К ЭКЗАМЕНУ по ФИЗИКЕ ТСП 2 курс

1. Основные понятия динамики: масса, сила, инерция, инертность, законы Ньютона.

Масса - количественная мера инертности тела. Единица измерения массы в СИ называется килограмм (кг).

Сила - векторная физическая величина, являющаяся мерой интенсивности воздействия на данное тело других тел, а также полей.

Инерция - это свойство материального тела оказывать сопротивление изменению скорости его движения (как по величине, так и по направлению).

Инертность - свойство тела в большей или меньшей степени препятствовать изменению своей скорости относительно инерциальной системы отсчёта при воздействии на него внешних сил.

Законы Ньютона :

1. Материальная точка находится в покое или движется равномерно и прямолинейно, если на неё не действуют силы или действующие силы на точку уравновешены.

2.Ускорение, с которым движется тело, прямо пропорционально действующей на него силе, обратно пропорционально массе тела и по направлению совпадает с направлением действия силы.

3.Силы, с которыми материальные тела действуют друг на друга, равны по величине, противоположны по направлению и направлены по прямой, проходящей через эти тела.

2. Силы в природе .

гравитационных, электромагнитных, сильных (ядерных) и слабых.
Гравитационные силы , или силы всемирного тяготения, действуют между всеми телами - все тела притягиваются друг к другу. Но это притяжение существенно обычно лишь тогда, когда хотя бы одно из взаимодействующих тел так же велико, как Земля или Луна. Иначе эти силы столь малы, что ими можно пренебречь.
Электромагнитные силы действуют между частицами, имеющими электрические заряды. Сфера их действия особенно обширна и разнообразна. В атомах, молекулах, твердых, жидких и газообразных телах, живых организмах именно электромагнитные силы являются главными. Велика их роль в атомах.
Область действия ядерных сил очень ограничена. Они заметны только внутри атомных ядер (т. е. на расстояниях порядка 10 -13 см). Уже на расстояниях между частицами порядка 10 -11 см (в тысячу раз меньших размеров атома - 10 -8 см) они не проявляются совсем.
Слабые взаимодействия проявляются на еще меньших расстояниях, порядка 10 -15 см. Они вызывают взаимные превращения элементарных частиц, определяют радиоактивный распад ядер, реакции термоядерного синтеза.
Ядерные силы - самые мощные в природе. Если интенсивность ядерных сил принять за единицу, то интенсивность электромагнитных сил составит 10 -2 , гравитационных - 10 -40 , слабых взаимодействий - 10 -16 .
Сильные (ядерные) и слабые взаимодействия проявляются на таких малых расстояниях, когда законы механики Ньютона, а с ними вместе и понятие механической силы теряют смысл.
В механике мы будем рассматривать только гравитационные и электромагнитные взаимодействия.
Силы в механике. В механике обычно имеют дело с тремя видами сил - силами тяготения, силами упругости и силами трения.
Силы упругости и трения имеют электромагнитную природу.

3. Сила всемирного тяготения, вес, невесомость, свободное падение.

Сила тяготения - сила взаимного притяжения, действующая между всеми материальными телами.
В 1682 году Ньютон открыл закон всемирного тяготения: все тела притягиваются друг к другу, сила всемирного тяготения прямо пропорциональна произведению масс тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

Вес - сила воздействия тела на опору (или подвес или другой вид крепления), препятствующую падению, возникающая в поле сил тяжести HYPERLINK " http:// ru . wikipedia . org / wiki /% D 0%92% D 0% B 5% D 1%81" HYPERLINK " http:// ru . wikipedia . org / wiki /% D 0%92% D 0% B 5% D 1%81" .

Невесо́мость - состояние, при котором сила взаимодействия тела с опорой (вес тела ), возникающая в связи с гравитационным притяжением, действием других массовых сил, в частности силы инерции, возникающей при ускоренном движении тела, отсутствует.

Формула:
Р=0, где Р - вес, то есть сила, с которой тело действует на опору или подвес.

Свобо́дное падéние - это равноускоренное движение под действием силы тяжести .

g - ускорение свободного падения, 9.81 (м/с²),

4. Движение тела под действием нескольких сил.

Обычно на тело действуют одновременно несколько сил. Наряду с силами тяжести и упругости почти всегда действует сила трения. Учитывать силу трения особенно необходимо в случаях, когда рассма-тривается движение транспорта.

Хорошо известно, что для избежания аварий следует сохранять определенную дистанцию между автомобилями; в дождливую погоду или в гололедицу она должна быть больше, чем в сухую погоду. Возникают вопросы: какой должна быть эта дистанция и как она зависит от скорости движения автомобиля? Чтобы на них ответить, рассмотрим задачу.

Образование протогалактических облаков менее около 1 млрд лет после Большого Взрыва
Иллюстрация: Адольф Шаллер, Галерея Хаббл (NASA)

Мы хорошо знаем силу гравитации, которая держит нас на земле и затрудняет полёт на Луну. И электромагнетизм, благодаря которому мы не распадаемся на отдельные атомы и можем включать в розетку ноутбуки. Физик koptchick рассказывает о ещё двух силах, делающих Вселенную именно такой, какая она есть.

Со школьной скамьи все мы хорошо знаем закон Всемирного тяготения и закон Кулона. Первый объясняет нам, как взаимодействуют (притягиваются) друг с другом массивные объекты типа звёзд и планет. Другой же показывает (вспомним опыт с эбонитовой палочкой), какие силы притяжения и отталкивания возникают между электрически заряженными предметами.

Но исчерпывается ли этим всё множество сил и взаимодействий, которые определяют облик наблюдаемой нами Вселенной?

Современная физика говорит о том, что во Вселенной существуют четыре типа основных (фундаментальных) взаимодействий между частицами. О двух из них я уже сказал выше и с ними, казалось бы, всё просто, т. к. проявления их постоянно окружают нас в повседневной жизни: это гравитационное и электромагнитное взаимодействие.

Так, за счёт действия первого мы крепко стоим на земле и не улетаем в открытый космос. Второе же, например, обеспечивает притяжение электрона к протону в атомах, из которых все мы состоим и, в конечном счёте, притяжение атомов друг к другу (т. е. оно ответственно за образование молекул, биологических тканей и т. д.). Так что именно из-за сил электромагнитного взаимодействия, например, оказывается, что снести голову надоевшему соседу не так уж просто, и с этой целью нам приходится прибегать к помощи топора разнообразных подручных средств.

Но есть ещё, так называемое, сильное взаимодействие. За что ответственно оно? Не удивлял ли вас в школе тот факт, что, несмотря на утверждение закона Кулона о том, что два положительных заряда должны отталкиваться друг от друга (лишь противоположные притягиваются), ядра многих атомов преспокойно существуют себе. А ведь состоят они, как вы помните, из протонов и нейтронов. Нейтроны — они на то и нейтроны, что нейтральны и электрического заряда не имеют, а вот протоны заряжены положительно. И что же, спрашивается, за силы, могут удержать вместе (на расстоянии в одну триллионную долю микрона — что в тысячу раз меньше самого атома!) несколько протонов, которые, по закону Кулона, должны со страшной энергией отталкиваться друг от друга?

Сильное взаимодействие — обеспечивает притяжение между частицами в ядре; электростатическое — отталкивание
Вот эту поистине титаническую задачу по преодолению Кулоновых сил берёт на себя сильное взаимодействие. Так что, ни много, ни мало, за счёт него протоны (как, впрочем, и нейтроны) в ядре всё же притягиваются друг к другу. Кстати, сами протоны и нейтроны также состоят из ещё более «элементарных» частиц — кварков. Так вот кварки также взаимодействуют и притягиваются друг к другу «сильно». Но, к счастью, в отличие от того же гравитационного взаимодействия, которое работает и на космических расстояниях во многие миллиарды километров, сильное взаимодействие является, как говорят, короткодействующим. Это означает, что поле «сильного притяжения», окружающее один протон работает лишь на крохотных масштабах, сопоставимых, собственно, с размерами ядра.

Поэтому, например, протон, сидящий в ядре одного из атомов, не может, наплевав на Кулоновское отталкивание, взять, да «сильно» притянуть к себе протон из соседнего атома. В противном случае, вся протонная и нейтронная материя во Вселенной смогла бы «притянуться» к общему центру масс и образовать одно огромное «суперядро». Нечто похожее, впрочем, происходит в толще нейтронных звёзд, в одну из которых, как можно ожидать, однажды (лет эдак миллиардов через пять) сожмётся наше Солнце.

Итак, четвёртое и последнее из фундаментальных взаимодействий в природе — это, так называемое, слабое взаимодействие. Не даром оно так названо: мало того, что работает оно даже на ещё более коротких, чем сильное взаимодействие, расстояниях, так ещё и мощи оно весьма малой. Так что, в отличие своего сильного «собрата», Кулоновского отталкивания, оно никак не перетянет.

Ярким примером, демонстрирующим слабость слабых взаимодействий, являются частицы под называнием нейтрино (можно перевести как «маленький нейтрон», «нейтрончик»). Эти частицы, по природе своей, в сильных взаимодействиях не участвующие, электрического заряда не имеющие (оттого не восприимчивые и к электромагнитным взаимодействиям), массой обладающие ничтожной даже по меркам микромира и, следовательно, практически нечувствительные к гравитации, по факту, способны лишь к слабым взаимодействиям.

Чо? Нейтрино сквозь меня проходят?!
При этом, во Вселенной нейтрино нарождается в количествах поистине колоссальных, и огромный поток этих частиц постоянно пронизывает толщу Земли. Например, в объёме спичечного коробка, в среднем, в каждый момент времени находится штук 20 нейтрино. Таким образом, можно представить себе, огромную бочку с водой-детектор, и то неимоверное количество нейтрино, которое в каждый момент времени пролетает через неё. Так вот учёным, работающим на этом детекторе обычно приходится месяцами ждать такого счастливого случая, чтоб хотя бы один нейтрино «почувствовал» их бочку и своими слабыми силами провзаимодействовал в ней.

Однако ж, даже несмотря на слабость свою, это взаимодействие играет очень немаловажную роль во Вселенной и в жизни человека. Так, именно оно оказывается ответственным за один из видов радиоактивности — именно, бета-распад, являющийся вторым (после гамма-радиоактивности) по степени опасности своего воздействия на живые организмы. И, что не менее важно, без слабого взаимодействия невозможно было бы протекание термоядерных реакций, протекающих в недрах многих звёзд и ответственных за выделение энергии светила.

Такая вот четвёрка всадников Апокалипсиса фундаментальных взаимодействий правит во Вселенной бал: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.