Фундаментальные взаимодействия

В природе существуют различные системы связанных между собой объектов (ядра, атомы, макротела, астрофизические системы).

принято считать, что в мире существует четыре типа основных (фундаментальных) взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Одной из характеристик взаимодействия частиц является энергия, которую необходимо израсходовать для того, чтобы разрушить систему частиц. По этому признаку основные взаимодействия распределяются так: самое слабое – гравитационное, затем – слабое, электромагнитное и сильное. Для элементарных частиц интенсивность взаимодействий по отношению к сильным распределяется следующим образом: сильное – 1, электромагнитное – 10^–3, слабое – 10^–14, гравитационное – 10^–40. Гравитационные взаимодействия (это всегда притяжение) свойственны всем макро- и микрообъектам. Интенсивность взаимодействия зависит от массы тел. Кванты гравитационного поля называют гравитонами. Скорость гравитона равна скорости света в вакууме (3·10⁸ м/с), электрический заряд равен нулю, масса покоя тоже равна нулю[2].

Электромагнитное взаимодействие присуще электрически заряженным частицам, оно зависит от электрического заряда частиц. Это может быть как притяжение, так и отталкивание. Кванты электромагнитного поля называются фотонами. Скорость фотона равна скорости света в вакууме, электрический заряд равен нулю, масса покоя тоже равна нулю.

Сильное взаимодействие характерно для всех адронов и кварков, в том числе для нуклонов в ядре. На расстояниях порядка 10^–15 м сильное взаимодействие частиц ведет к их притяжению, на значительно меньших расстояниях притяжение сменяется отталкиванием, на расстояниях, больших 10^–15 м, сильное взаимодействие отсутствует. Переносчиками сильного взаимодействия являются элементарные частицы – пионы (π⁺, π^–, π⁰), которые примерно в 260 раз тяжелее электрона.

К слабым взаимодействиям относят явления b-распада (характерное время 10^–10...10^–6 с) и взаимодействие нейтрино с веществом. Взаимодействие осуществляется с помощью промежуточных бозонов при условии, что частицы подходят друг к другу на расстояние около 1·10^–18 м, что случается весьма редко. Масса покоя промежуточных бозонов значительно больше, чем масса покоя протонов.

При высоких температурах порядка 10¹⁶ K исчезает различие между слабым и электромагнитным взаимодействиями (говорят об едином электрослабом взаимодействии). При температурах порядка 10¹⁹ K исчезает различие между электрослабым и сильным взаимодействиями.

Какие взаимодействия являются сильными: а) между нуклонами в ядре; б) между электронами и ядром в атоме; в) между Солнцем и Землей; г) между частицами вещества Земли и нейтрино, порожденными Солнцем; д) между кварками внутри адрона?

Рассмотрите взаимодействие между двумя протонами. Найдите отношение силы электромагнитной к силе гравитационной.

По современным представлениям ядро атома может содержать несколько положительно заряженных частиц – протонов. Почему же многие ядра устойчивы, несмотря на действие силы отталкивания одноименно заряженных частиц?

Назовите поле, квантами которого являются: а) гравитоны; б) фотоны; в) пионы; г) промежуточные бозоны.

При каких температурах среды становятся неразличимыми: а) все виды взаимодействий; б) ядерное и электрослабое; в) слабое и электромагнитное?

Известно, что из законов квантовой механики и ряда принципов симметрии могут быть получены как следствие законы сохранения. Назовите принципы симметрии, которые соответствуют: а) закону сохранения импульса; б) закону сохранения энергии; в) закону сохранения момента импульса.

Приведите примеры открытия нарушения известных симметрий.

Какой принцип симметрии был отвергнут учеными после открытия закона всемирного тяготения?