ЛЕКЦИЯ ЧЕТВЕРТАЯ

СИЛЫ В ПРИРОДЕ.
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

В основе всяких природных явлений лежат силы. Постоянно мы сталкиваемся с силами трения, упругости. Живем в поле силы тяжести, магнитном поле Земли, электромагнитных полях естественного и искусственного происхождения. Электронный пучок в телевизоре или мониторе компьютера отклоняется силами электрических и магнитных полей. Мы окружены проводами, по которым течет переменный ток. Все эти и многие другие силы определяются тем или иным типом взаимодействий. И, несмотря на кажущееся множество сил в природе, до сих пор обнаружено лишь четыре вида фундаментальных взаимодействий.

Фундаментальные взаимодействия связаны с разными источниками и существенны на разных расстояниях

Таблица 4.1

Фундаментальные взаимодействия

Тип взаимодействия	Источник взаимодействия	Относительная интенсивность взаимодействия	Радиус действия силы
Гравитационное	Масса	∼ 10-38	Сколь угодно далеко
Слабое	Все элементарные частицы	∼ 10-15	< 10-18 м
Электромагнитное	Электрические заряды	∼ 10-2	Сколь угодно далеко
Ядерное (сильное)	Адроны (протоны, нейтроны, мезоны)	1	∼ 10-15 м

35

от источника (таблица 4.1). Радиус влияния дальнодействующих взаимодействий охватывает Вселенную, короткодействующие взаимодействия заметны лишь в пределах атомного ядра. Но и те и другие определяют существование нашего мира.

Физике XVIII века было известно только гравитационное взаимодействие. По закону всемирного тяготения, сформулированному Ньютоном в книге "Математические начала натуральной философии" (1687), две материальные частицы притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Коэффициент пропорциональности G называется гравитационной постоянной. Числовое значение этого коэффициента было впервые определено Г. Кавендишем (1731-1810) в 1798 г. по измерению силы притяжения двух массивных шаров. Согласно современным данным, G = 6,6745 × 10^-11 м³/кг с². Гравитационные силы действуют на все объекты Вселенной, от галактик до элементарных частиц.

Ньютоновская теория тяготения явилась величайшим достижением естествознания. Она позволила с большой точностью описать обширный круг явлений: движение тел Солнечной системы, поведение галактик, звездных скоплений, предсказать существование таких планет, как Нептун и Плутон.

Отметим, что современные представления о Вселенной и микромире позволяют утверждать, что гравитационная постоянная является универсальной, фундаментальной величиной, ее значение одинаково во всех доступных для наблюдения точках Вселенной. Именно это значение определяет фундаментальное гравитационное взаимодействие.

Согласно закону всемирного тяготения (3.2), сила зависит только от взаимного положения тел в данный момент времени, то есть гравитационное взаимодействие распространяется мгновенно. Сегодня мы знаем, что это не так. Скорость распространения любого взаимодействия не может превышать скорость света.

При создании общей теории относительности для объяснения стационарности (как считалось в начале

36

XX века) Вселенной А. Эйнштейн предположил, что массы не только притягиваются, но и отталкиваются, причем эффект отталкивания проявляется только в масштабах Вселенной:

F_косм ∼ LRM.(4.1)

Сила космологического отталкивания F_косм (4.1) должна быть пропорциональна расстоянию R между взаимодействующими массами и массе М отталкиваемого тела (но никак не связана с массой отталкивающего тела!). По оценкам постоянная L, определяющая отталкивание (4.1), будет в 10²⁵ раз слабее гравитационного притяжения (3.2). Для двух галактик с массами 10⁴¹ кг, находящихся на расстоянии 10²² м (около 10 миллионов световых лет) гравитационное притяжение (3.2) и космологическое отталкивание (4.1) будут примерно равны. После обнаружения факта расширения Вселенной (лекция 10) о предложенном Эйнштейном космологическом взаимодействии забыли. Но сегодня наблюдения за мегамиром обнаружили некий порядок в расположении звезд и Галактик. Существует ли космологическое, определяющее крупномасштабную структуру Вселенной, взаимодействие? Фактов, доказывающих это, нет. Как нет и фактов, отвергающих возможность его существования.

Простейшие электрические и магнитные явления были известны в древние времена - янтарь, потертый о шерсть, притягивал легкие предметы, куски железной руды притягивали железо и друг друга. Но только в 1600 году У. Гильберт впервые разграничил электрические и магнитные явления. В XVII веке появилось понятие электрического заряда. Закон, определяющий силу, с которой взаимодействуют неподвижные точечные заряды, был сформулирован (в 1773 г., результаты опубликованы лишь в 1879 г.) Г. Кавендишем (1731-1810) и (в 1785 г.) Ш. Кулоном (1736-1806) и носит название закона Кулона. В соответствии с этим законом два точечных заряда Q, расположенные на расстоянии R друг от друга, взаимодействуют с силой F:

F =

1

4πε

  

Q1Q2

R2

. (4.2)

При этом направление действия силы (притяжение или отталкивание) зависит от такой характеристики взаимодействующих зарядов, как знак (положительный или отрицательный). Разноименные заряды притягиваются, а одноименные - отталкиваются.

Сила электростатического взаимодействия (4.2) зависит от универсальной постоянной - заряда электрона. Электрон (открыт в 1897 г. Дж. Томсоном, 1856-1940) является материальной частицей, носителем наименьшей массы и наименьшего электрического заряда. Заряды Q, входящие в (4.2), кратны заряду электрона. Интенсивность электромагнитного взаимодействия зависит от так называемой постоянной тонкой структуры e²/ħ с = 1/137. Три фундаментальные постоянные - скорость света с, постоянная Планка ħ и заряд электрона е - связаны друг с другом!

Магнитные силы порождаются движением электрических зарядов, электрическими токами. Это стало ясно в 1820 году после фундаментального открытия датского физика X. Эрстеда (1777-1851), выявившего действие электрического тока на магнитную стрелку. В том же году А.М. Ампер (1775-1836) открыл закон взаимодействия электрических токов. Мы знаем, что любой магнит имеет два полюса (условно называемые северным и южным). Однако существуют теории, показывающие возможность полной симметрии электростатического (покоящиеся электрические заряды) и магнитостатического (покоящиеся магнитные заряды) взаимодействий. Магнитного заряда (так называемого монополя) не обнаружено.

Ускоренно движущиеся заряженные частицы отдают энергию в виде электромагнитного излучения. Электромагнитное излучение, имеющее длины волн от 400 × 10^-9 до 800 × 10^-9м, воспринимается нами как видимый свет (границы этого диапазона индивидуальны, слегка различаются для разных людей). Телевизионные станции вещают в диапазоне метровых и дециметровых волн. Рентгеновские лучи имеют длины волн менее 0,5 × 10^-9м.

Электромагнитное взаимодействие определяет структуру и поведение атомов, отвечает за связи между молекулами

37

(то есть определяет химические и биологические процессы).

Если гравитационное и электромагнитное взаимодействия являются дальнодействующими, распространяющимися на всю Вселенную, то слабое и сильное взаимодействия проявляются только в пределах атомного ядра и являются короткодействующими.

Частицы, входящие в состав атомного ядра, протоны и нейтроны (обобщающее название - нуклоны), удерживаются ядерными силами. Природа этих сил стала ясна относительно недавно. Японский физик X. Юкава (1907-1981) в 1935 году для объяснения сильного взаимодействия нуклонов предложил теорию мезонного поля, основанную на обмене нуклонов мезонами (имеющими массу 273 электронов, обнаружены в 1947 году). Ядерные силы возрастают при сближении нуклонов. На расстояниях меньше или порядка 10^-15 м эти силы значительно превышают электромагнитные. Именно поэтому протоны, входящие в состав ядра, не разлетаются. Этим объясняется малый размер ядра (∼ 10^-15 м) по сравнению с размером атома (∼ 10^-10 м). Силы электромагнитного взаимодействия оказываются существенными на расстояниях, превышающих 10^-10 м. Сильные взаимодействия определяют течение ядерных реакций, особенно - термоядерного синтеза.

Слабое взаимодействие ответственно за многие ядерные процессы, например такие, как превращение нейтронов в протоны. Основные свойства слабого взаимодействия стали известны еще в 1931 году, в основном, благодаря работам Э. Ферми (1901-1954). Из-за слабого взаимодействия свободный нейтрон может существовать не более 10 минут и распадается на протон, электрон и антинейтрино с выделением некоторой энергии (1 миллион эВ). Напомним, что 1 эВ (электрон-вольт) равен энергии, которую имеет электрон, ускоренный разностью потенциалов 1 В.

Видно, что перечень известных на сегодняшний момент взаимодействий не всегда был таким. Гравитационное взаимодействие открыто в XVII веке, электромагнитное - в XIX веке. Слабое и сильное - в середине XX века. И не ясно, исчерпываются ли ими все взаимодействия в природе.

38

Если элементарные частицы и их взаимодействия являются действительно фундаментальными, они должны объяснять наблюдаемые явления не только микромира, но и макромира. Насколько это известно сегодня, поведение звезд и галактик описывается теми же физическими законами, что и поведение элементарных частиц. Своими корнями уходят в физику и химия, и биология.

При изучении самых простых явлений физики пытаются найти и выделить закономерности и общие правила, выявить области применения правил, применить их к более сложным (или иным) системам. Так можно перейти от механического упорядоченного движения к хаотическому (тепловому). От него - к микроструктуре вещества. Таким образом, огромная и сложная Вселенная представляется в виде совокупности элементарных частиц, взаимодействующих только четырьмя возможными способами и подчиняющихся небольшому количеству фундаментальных законов.

Окружающий нас мир, все существующее вокруг нас и обнаруживаемое с помощью ощущений, представляет собой материю. По определению философа и политика В.И. Ленина, материя - философская категория для обозначения объективной реальности, отображаемой нашими ощущениями и существующая независимо от них. Это определение может не быть исчерпывающим. Но на сегодня оно отражает описываемое понятие. В классических представлениях в естествознании различают два вида материи - вещество и поле.

Что такое поле? Поле определяется через силы, действующие на некоторый пробный, выбранный нами объект (заряд, массу), помещенный в данную точку пространства. Пространство непрерывно. В каждой его точке эта сила имеет вполне определенное значение, считающееся характеристикой поля. При этом переход от точки к точке непрерывный и плавный.

Важным свойством поля является непрерывность его характеристик. Именно непрерывность позволяет эффективно применять математические методы для описания физических характеристик разнообразных объектов. К настоящему времени известно несколько физических полей,

39

соответствующих типам взаимодействии, - электромагнитное и гравитационное поля, поле ядерных сил, волновые поля элементарных частиц.

Мы говорили о взаимодействиях, не задав принципиального вопроса: каким образом одно из взаимодействующих тел "чувствует" присутствие другого?

Долгое время считали, что взаимодействие между телами осуществляется непосредственно через пустое пространство, не принимающее участие в передаче взаимодействия. При этом передача взаимодействия происходит мгновенно. Это предположение составляет сущность концепции дальнодействия, составлявшую основу классической физики до конца XIX века.

Экспериментальные исследования электромагнитных явлений (самых удобных и доступных для изучения) показали, что изменение положения одной из заряженных частиц не ведет к мгновенному изменению положения (и действующих на нее сил) другой. То есть существует некая среда, передающая взаимодействие. Эта среда получила название электромагнитного поля. Скорость распространения электромагнитного поля равна скорости света в пустоте. Это и составляет сущность концепции близкодействия, имеющей отношение и к другим физическим полям.

Современные представления дают основания к веществу и полю добавить третий вид материи - физический вакуум.

В неживой природе постоянно открывают все новые и новые субатомные частицы, многие детали их поведения остаются неясными. Где предел дробления вещества и существует ли он? Что такое физический вакуум? Пустота? Но пустота - это когда ничего нет. А что такое ничего?

С точки зрения техники вакуум (лат. vacuum - пустота) - состояние газа, когда длина пробега молекул между последовательными столкновениями становится меньше характерных размеров сосуда. То есть, возможна передача энергии не от молекулы к молекуле, а от одной стенки сосуда к другой. Именно поэтому пористые вещества - поролон, обожженная глина, вата и т.п. - являются хорошими теплоизоляторами.

40

В абсолютно пустом сосуде (достичь такого состояния невозможно) остается поле и, оказывается, в физическом вакууме могут виртуально, на некоторый промежуток времени, рождаться пары: частица и античастица, электрон и дырка (позитрон). При этом выполняются, в общем, законы сохранения. Как исследовать эти состояния? Насколько виртуальные частицы отличаются от реальных? Это проблемы современного естествознания.

Мы практически ничего не знаем о происхождении Вселенной. Мало что знаем о Земле, об особенностях формирования климата, внутреннем строении, составе пород. Почему мир именно таков, каково будущее этого мира?

В живой природе круг неясного еще шире. Как формируется из неживого живое? Как работает клетка? Почему различаются симметрии живой и неживой природы? Неживая природа симметрична, а живая - асимметрична.

Бесконечная цепь вопросов. Разрешение одних ведет к появлению новых.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Какие виды взаимодействий в природе вам известны? Какие взаимодействия отвечают за такие процессы, как плавание, скатывание с горки, телевидение, гром, деление клеток, источник энергии звезд, полет птицы, полет самолета?
2. Как вы считаете, почему последовательность обнаружения взаимодействий была именно такой?
3. Что такое "фундаментальные постоянные"? Приведите примеры таких постоянных.
4. В чем сущность концепций близкодействия и дальнодействия?
5. Как сказывается конечность скорости света на концепции близкодействия?
6. Почему понятие "поле" получило развитие после открытия электромагнитных сил?
7. Что такое пустота или вакуум? Поясните понятие "физический вакуум".

41