В физике под взаимодействием понимается воздействие тел или частиц друг на друга, приводящее к изменению их состояния и параметров движения. Первоначально в физике господствовало представление о том, что взаимодействие между телами может устанавливаться непосредственно через пустое пространство, которое не принимает никакого «участия» в передаче взаимодействия, а сама передача происходит мгновенно. Считалось, например, что перемещение Земли должно сразу же изменять силу тяготения, действующую на Луну. В этом состояла так называемая концепция дальнодействия.
Однако такие представления стали несостоятельными после открытия и изучения электромагнитного поля. Было доказано, что взаимодействие электрически заряженных тел осуществляется не мгновенно, и перемещение одной заряженной частицы приводит к изменению сил, действующих на другие частицы, но не в тот же момент, а спустя конечное время. В разделяющем частицы пространстве происходит некоторый процесс, который распространяется с конечной скоростью. Соответственно имеется «посредник», осуществляющий взаимодействие между заряженными частицами. Он был назван электромагнитным полем. Каждая электрически заряженная частица создает электромагнитное поле, действующее на другие частицы. Скорость распространения электромагнитного поля равна скорости света в вакууме с ≈ 300000 км/с. Возникла новая концепция близкодействия, которая позднее была распространена на любые другие взаимодействия. Согласно этой концепции, взаимодействие между телами (в общем случае, веществом) осуществляется посредством тех или иных полей, непрерывно распределенных в пространстве. Что касается формализма взаимодействия, то, начиная с механики Ньютона, взаимное действие тел друг на друга характеризуется силой. Однако более общей характеристикой взаимодействия является потенциальная энергия.
В окружающем нас Мире вещество представлено в самых различных формах. Мельчайшие частицы вещества (из известных к концу 20 века), относящиеся к категории фундаментальных,– это кварки и лептоны. В основном вещество построено из электронов и нуклонов (протонов и нейтронов). Последние в свою очередь состоят из трех кварков. Все лептоны и кварки обладают полуцелым спином, так же как и нуклоны, имеющие сложное внутреннее строение. Хорошо известно, что нуклоны образуют ядра, а ядра и электроны вместе образуют атомы, или на другом языке – химические элементы. Следующим, более крупным «кирпичиком» вещества являются молекулы, а далее различные атомные и молекулярные структуры – кластеры, фуллерены. В земных условиях для вещества известны 4 макроскопические состояния: твердые тела, жидкости, газы и плазма. Они состоят из огромного числа атомов и/или молекул, а плазма еще содержит электроны и ионизированные атомы. Вступая в химические реакции, вещества сформировали за долгие годы существования планеты атмосферу, гидросферу, материки Земли со специфическим и разнообразным ландшафтом. Из раскаленных газов и плазмы состоят звезды, а в белых карликах и нейтронных звездах вещество находится в сверхплотном состоянии. Согласно современным представлениям, в природе возможно также состояние вещества в виде кварк-глюонной плазмы, в котором оно пребывало на самых ранних этапах эволюции Вселенной.
Одной из важнейших концепций современного естествознания является представление о взаимодействии вещества посредством полей – другой формы существования материи. С появлением квантовой теории поля это представление приобрело наиболее законченный вид. Согласно этой теории, любое поле состоит из совокупности частиц – квантов этого поля. Каждому полю соответствуют свои кванты. При этом различные виды взаимодействия между частицами вещества возникают в результате обмена квантами соответствующих полей. Кванты полей, переносящих различные взаимодействия, имеют целый спин. Именно целый спин приводит в ряде случаев к наличию у квантовых полей классических свойств. Это отчетливо обнаруживается у электромагнитного и гравитационного поля. Масса покоя всех частиц – «переносчиков» взаимодействий, за единственным исключением, равна нулю.
Здесь уместно сделать одно небольшое отступление. В классической физике вещество и поле абсолютно противопоставлялись друг другу как два вида материи, у первого из которых структура дискретна, а у второго – непрерывна. Открытие в квантовой теории двойственной корпускулярно-волновой природы микрообъектов нивелировало это противопоставление. Выявление определенной степени единства вещества и поля привело к углублению представлений о структуре материи. На этой основе были строго разделены категории вещества и материи, на протяжении многих веков отождествлявшиеся в науке и философии. При этом философское значение осталось за категорией материи, а понятие вещества сохранило научный смысл в естествознании.
Несмотря на разнообразие различных воздействий в природе, современная наука выделяет только четыре типа фундаментальных взаимодействий, установленных и исследованных экспериментально. В порядке возрастания интенсивности взаимодействия это:
– гравитационное взаимодействие,
– слабое взаимодействие,
– электромагнитное взаимодействие,
– сильное, или ядерное взаимодействие.
Гравитационное взаимодействие, переносимое полем тяготения, уже рассматривалось выше в главе, посвященной ОТО. Это самое слабое из указанных типов взаимодействий. В своем классическом виде оно особенно заметно для больших тяготеющих масс и определяет геометрию Мира (пространства-времени), в котором движется материя. Его строгая квантовая теория не построена, а кванты гравитационного поля – так называемые гравитоны – пока экспериментально не обнаружены и являются гипотетическими частицами. Слабое взаимодействие отвечает за большинство распадов и многие превращения элементарных частиц. Квантами соответствующего поля являются промежуточные векторные бозоны. Электромагнитное взаимодействие связано, в первую очередь, с действием друг на друга электрических зарядов и переносится фотонами. Этот тип взаимодействия ярко проявляется в окружающем человека мире. Наконец, сильное взаимодействие обеспечивает связь частиц в атомных ядрах и переносится глюонами. В последние десятилетия физики поняли, что перечисленные типы взаимодействий не обязательно выступают независимо друг от друга. В частности, прослежена глубокая связь слабого взаимодействия с электромагнитным, что привело к их объединению в электрослабое взаимодействие.
Об интенсивности взаимодействий можно судить по скорости процессов, которые они вызывают. Обычно сравнивают между собой скорости процессов при энергиях ~ 109 эВ = 1 ГэВ, характерных для физики элементарных частиц (для контраста отметим, что энергия кванта зеленого света равна всего 2 эВ.). При таких высоких энергиях процесс, обусловленный сильным взаимодействием, происходит за время ~ 10-24 с, электромагнитный процесс – за время ~ 10-21 с, а процесс, вызванный слабым взаимодействием, – за гораздо большее время ~ 10-10 с. Отсюда видно, что в мире элементарных частиц «слабые процессы» протекают чрезвычайно медленно.
Другая характеристика взаимодействия – длина свободного пробега кванта поля в веществе (то есть пролета без соударений и тем самым без возможного поглощения). Сильно взаимодействующие частицы (адроны) можно задержать железной плитой толщиной в несколько десятков см, тогда как нейтрино, обладающее лишь слабым взаимодействием, проходило бы, не испытав ни одного столкновения, сквозь железную плиту толщиной порядка миллиарда км (!). Еще более слабым является гравитационное взаимодействие, сила которого при энергии ~ 1 ГэВ в 1033 раз (!) меньше, чем у слабого взаимодействия. Однако обычно роль гравитационного взаимодействия гораздо заметнее роли слабого взаимодействия. Это связано с тем, что гравитационное взаимодействие, как и электромагнитное, имеет неограниченный радиус действия; поэтому, например, на тела, находящиеся на поверхности Земли, действует гравитационное притяжение всех атомов, из которых состоит Земля. Слабое же взаимодействие обладает очень малым радиусом действия: около 2.10-16 см, что на три порядка меньше радиуса сильного взаимодействия. Вследствие этого слабое взаимодействие между ядрами двух соседних атомов в твердом теле, находящихся на расстоянии 10-8 см друг от друга, несравненно слабее не только электромагнитного, но и гравитационного взаимодействий между ними.
Однако, несмотря на малую величину и короткодействие, слабое взаимодействие играет очень важную роль в природе. Так, если бы удалось «выключить» слабое взаимодействие, то погасло бы Солнце, поскольку стал бы невозможен процесс превращения протона в нейтрон, позитрон и нейтрино, который служит основным источником энергии Солнца и большинства звезд. Процессы слабого взаимодействия с испусканием нейтрино вообще исключительно важны в эволюции звезд, так как обусловливают потери энергии очень горячими звездами, во взрывах сверхновых звезд с образованием пульсаров и т.д. Наконец, слабое взаимодействие является причиной и механизмом одного из наиболее распространенного в природе процесса бета-распада радиоактивных атомных ядер, исследование которого и привело в свое время к гипотезе о существовании нейтрино.
Сильное взаимодействие также является короткодействующим: его радиус около 10-13 см. В обычном «стабильном» веществе при не слишком высокой температуре сильное взаимодействие не вызывает никаких процессов, и его роль сводится к созданию прочной связи между нуклонами в ядрах (энергия связи составляет в среднем около 8 МэВ на нуклон). Однако при столкновениях ядер или нуклонов, обладающих достаточно высокой энергией, сильное взаимодействие приводит к многочисленным ядерным реакциям. Особенно важную роль в природе играют реакции слияния (термоядерного синтеза), в результате которых 4 нуклона объединяются в ядро гелия. Начиная с конца 50-х годов 20 века, не прекращаются попытки ученых осуществить управляемую термоядерную реакцию, что позволило бы полностью решить энергетическую проблему человечества как минимум на несколько веков. Термоядерный синтез (как и слабое взаимодействие) играет исключительную роль в «жизни» Солнца и звезд и тем самым является основным естественным источником энергии, используемой на Земле.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему