После появления квантовой теории поля представление о взаимодействии существенно изменилось. Согласно квантовой теории поля любое поле представляет собой совокупность частиц – квантов этого поля. Каждому полю соответствуют свои частицы. Например, квантами электромагнитного поля являются фотоны. Они обладают нулевой массой. Во многих случаях они регистрируются приборами в виде электромагнитной волны разной длины. Например, воспринимаемый невооруженным глазом видимый свет представляет собой электромагнитную волну в довольно узком диапазоне длин волн, соответствующем максимуму солнечного излучения. Аналогично другие виды взаимодействия возникают в результате обмена между частицами квантами соответствующих полей: переносчиками гравитационного взаимодействия являются гравитоны – частицы с нулевой массой; сильное взаимодействие передается глюонами – частицами, «склеивающими» кварки, входящие в состав протонов, нейтронов и других частиц; переносчиками слабого взаимодействия являются промежуточные, или векторные, бозоны.
20. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ И СВЯЗЬ В ПРИРОДЕ
Под энергией связи понимают энергию связанной системы каких-либо частиц, равную работе, которую необходимо затратить, чтобы разделить эту систему на составляющие ее частицы и удалить их друг от друга на такое расстояние, на котором их взаимодействием можно пренебречь. Энергия связи определяется взаимодействием частиц и является отрицательной величиной, так как при образовании связанной системы энергия выделяется. Абсолютная величина энергии связи характеризует прочность связи и устойчивость системы. Например, для атомного ядра энергия связи определяется сильным взаимодействием нуклонов в ядре. Для наиболее устойчивых ядер она составляет 8 X 10 эВ/нуклон (удельная энергия связи – энергия связи, приходящаяся на один нуклон). Эта энергия может выделиться при слиянии легких ядер в более тяжелое ядро (термоядерная реакция), а также при спонтанном делении тяжелых ядер. Термоядерные реакции происходят при очень высоких температурах. Такие температуры необходимы для преодоления электростатического барьера, обусловленного взаимным отталкиванием ядер (как одноименно заряженных частиц). Без этого невозможно сближение ядер на расстояние порядка радиуса действия ядерных сил. Поэтому термоядерные реакции в природных условиях протекают лишь в недрах звезд. Так как термоядерные реакции представляют собой процессы образования сильно связанных ядер из более рыхлых, то они сопровождаются выделением в продуктах реакции избыточной кинетической энергии, равной увеличению суммарной энергии связи. На использовании этой выделившейся энергии основана ядерная энергетика.
Энергия связи, электронов в атоме или молекуле определяется электромагнитным взаимодействием. Для атома водорода в основном состоянии она равна 13,6 эВ. Этим же взаимодействием обусловлена энергия связи атомов в молекуле и кристалле. Например, ковалентное межатомное взаимодействие возникает в результате обобществления валентных электронов парой соседних атомов, при этом происходит понижение энергии.
Энергия связи, обусловленная гравитационным взаимодействием, обычно мала и имеет значение лишь для некоторых космических объектов, например для черных дыр. Они возникают в результате сжатия тела гравитационными силами до размеров, меньших его гравитационного радиуса: rx = 2GM /c2 где М– масса тела, G-гравитационная постоянная, с – численное значение скорости света).
Черной дырой может стать звезда. У вращающейся черной дыры вне горизонта (области, за которую не выходит свет) существует особая область – эрго-сфера. Вещество, попавшее в эргосферу, неизбежно начинает вращаться вокруг черной дыры. Наличие эргосферы может привести к потере черной дырой энергии вращения. Это возможно в случае, когда некоторое тело, влетев в эргосферу, распадается на две части, причем одна из них продолжает падение на черную дыру, а другая вылетает из эргосферы по направлению вращения. Энергия вылетающей части может при определенных условиях превышать первоначальную энергию всего тела.
Таким образом, понятие энергии связи ядра играет особо важную роль в ядерной физике. Энергия связи позволяет объяснить устойчивость ядер, а также выяснить, какие процессы ведут к выделению ядерной энергии.
21. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ФИЗИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
Одно из определений физики как науки таково: физика является учением о различных типах взаимодействий. Взаимодействие является основной причиной движения материи. Оно присуще всем материальным объектам, т. е. можно сделать вывод, что взаимодействие универсально, как и движение.
Основными характеристиками движения являются энергия и импульс, и именно энергией и импульсом обмениваются объекты при взаимодействии. В классической механике взаимодействие определяется силой, с которой один материальный объект действует на другой. В более общем случае взаимодействие характеризуется потенциальной энергией.
О том, как осуществляется взаимодействие между объектами, существует две концепции: близ-кодействия и дальнодействия. Первая теория говорит о том, что взаимодействие материальных объектов передается через пустое пространство мгновенно. Эта теория служила основой классической физики и существовала до конца XIX в. В настоящее время экспериментально подтверждена концепция дальнодействия: взаимодействия передаются посредством физических полей с конечной скоростью, не превышающей скорости света в вакууме.
Взаимодействия материальных объектов и систем, наблюдаемые нами в окружающем мире, весьма разнообразны. Но в общем случае их можно отнести к четырем видам фундаментальных взаимодействий: гравитационному, электромагнитному, слабому и сильному. Гравитационное взаимодействие проявляется во взаимном притяжении любых материальных объектов, имеющих массу. Электромагнитное взаимодействие обусловлено электрическими зарядами и передается посредством электрического и магнитного полей. Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре и определяется ядерными силами. Слабое взаимодействие обусловливает большинство распадов элементарных частиц, взаимодействие нейтрино с веществом и другие процессы.
Для количественной характеристики фундаментальных взаимодействий обычно используют безразмерную константу взаимодействия, определяющую величину взаимодействия и радиус действия. Для гравитационного взаимодействия эта константа равна 6 ? 10-39, а радиус его действия бесконечен. Для электромагнитного взаимодействия значение константы составляет 1/137, а радиус его действия также неограничен. Константа сильного взаимодействия равна 1, оно проявляется в пределах размеров ядра. Для слабого взаимодействия постоянная равна 10-14, а радиус взаимодействия – порядка 10-18.
Фундаментальные взаимодействия характеризуются соответствующими константами, которые в зависимости от систем координат могут иметь различные значения. Обычно используются следующие значения этих констант. Гравитационное взаимодействие характеризуется постоянной Кавендиша Gm= 6,7 ? 10-11н ? м2/кг2. Слабое взаимодействие – универсальной постоянной Gm= 1,4 ? 10-62Дж ? м3. Электромагнитное и сильное взаимодействия обычно характеризуются безразмерными постоянными. Первое – ge=1/137 – так называемая «постоянная тонкой структуры»; второе – g5= 8 ? 10-2.
Создание единой теории фундаментальных взаимодействий – одна из важнейших задач современного естествознания. Предполагается, что при относительно больших энергиях взаимодействия частиц все четыре фундаментальных взаимодействия характеризуются единой силой.
22. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ: ГРАВИТАЦИОННОЕ, ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ, СЛАБОЕ И СИЛЬНОЕ
Наблюдаемые в природе взаимодействия материальных объектов и систем весьма разнообразны. Однако, как показали физические исследования, все взаимодействия можно отнести к четырем видам фундаментальных взаимодействий:
– гравитационному;
– электромагнитному;
– сильному;
– слабому.
Гравитационное взаимодействие проявляется во взаимном притяжении любых материальных объектов, имеющих массу. Оно передается посредством гравитационного поля и определяется фундаментальным законом природы – законом всемирного тяготения, сформулированным И. Ньютоном: между двумя материальными точками массой m1 и m2, расположенными на расстоянии rдруг от друга, действует сила F, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними:
F = G ? (m1m2)/r2. где G-гравитационная постоянная. В соответствии с квантовой теорией г' поля переносчиками гравитационного взаимодействия являются гравитоны – частицы с нулевой массой, кванты гравитационного поля.
