Природа физического взаимодействия

Структура любой материальной системы определяется взаимодействиями между ее элементами. Физика занимается наиболее общими из них, которые она сводит к четырем фундаментальным типам: гравитационному, электромагнитному, сильному (или ядерному) и слабому.

Изучение взаимодействий материальных объектов приводит к необходимости разделять эти объекты на два вида: вещественные (физические тела) и полевые (физические поля).

Физические тела – материальные объекты, характеризуемые собственной массой или массой покоя.

Физические поля – материальные объекты, характеризуемые энергией и массы покоя не имеющие.

В макромире это разделение кажется естественным, поскольку выражает противопоставление дискретности и непрерывности. Действительно, физические тела локализованы в пространстве, а масса является характеристикой их инертных свойств.

Факт наличия полей признан со времен Фарадея. Это, прежде всего, электрическое и магнитное поля, непрерывно распределенные в пространстве. Например, энергия электрического поля , где – постоянная, Е – модуль напряженности поля, а интегрирование производится по всему объему V, занимаемому полем.

Энергия поля есть мера его воздействия на заряженные тела. Таким образом, физическое поле представляет собой область пространства, каждая точка которого обладает силовым действием.

Однако, и в макромире можно указать ситуации, когда локализация физических тел становится условной, например, течение жидкости рассматривается как движение непрерывно распределенной сплошной среды, характеризуемое полем плотности, скорости и т.п.: …, где – радиус-вектор точки поля.

Дискретность поля проявляется в его поглощении веществом; при этом его энергия может быть представлена в виде конечного целого числа (N) дискретных поглощенных порций , называемых квантами энергии поля: .

Эти примеры убеждают, что дискретность или непрерывность материального мира является относительной и предполагается присущей ему при рассмотрении тех или иных его свойств.

Изучение микромира показывает, что как вещественный объект, так и поле состоит из элементарных частиц. При этом их также можно разделить условно на собственно взаимодействующие частицы и частицы-переносчики взаимодействия или микрополя. Последние, как правило, испускаются самими взаимодействующими частицами. Чем массивнее частица-переносчик, тем меньше радиус действия данного типа взаимодействия.

Рассмотрим механизмы фундаментальных взаимодействий.

1) Радиус действия сильного взаимодействия ~10^{-15 м (ограничен размерами ядра).}

Рисунок 1

1-й нуклон испускает частицу-переносчик – π-мезон, поглощаемую 2-ым нуклоном. При этом энергия 1-го нуклона уменьшается, а 2-го увеличивается. π-мезон – массивная частица: его масса в 200 раз больше массы электрона.

Эта схема не учитывает предполагаемую кварковую структуру нуклонов. Современная теория сильного взаимодействия – квантовая хромодинамика – рассматривает его как процесс испускания и поглощения кварками глюонов, электрически нейтральных и не имеющих массы частиц-переносчиков.

2) Электромагнитное взаимодействие слабее ядерного в ~ 137 раз. Заряженные частицы обмениваются фотонами , испуская и поглощая их непрерывно. Так как фотоны имеют нулевую массу покоя, то они могут, в принципе, передавать взаимодействие на бесконечно большое расстояние.

Рисунок 2

Например, электрическая сила взаимодействия двух частиц с зарядами и :

, где k – коэффициент, проявляется на любых расстояниях между частицами .

Теория электромагнитного взаимодействия – квантовая электродинамика – достаточно хорошо подтверждена экспериментально. Ее предсказания совпадают с результатами измерений с точностью до десяти значащих цифр.

3) Слабое взаимодействие слабее ядерного в ~ 10⁵ раз, действует на расстояниях
~ 10^{-18 м в ядерных реакциях. Его переносчиками являются промежуточные бозоны , и . Эти частицы были обнаружены и изучены экспериментально. Оказалось, что они имеют электрический заряд и массу, почти в 200000 раз превосходящую массу электрона. Практически все частицы могут испускать и поглощать промежуточные бозоны, и поэтому слабое взаимодействие в природе представлено множеством разнообразных процессов.}

Рисунок 3

Пример: β-распад нейтрона происходит следующим образом:
n испускает промежуточный бозон , распадающийся на три более устойчивые частицы: протон (р), электрон ( ), электронное антинейтрино ( ).

4) Гравитационное взаимодействие слабее ядерного в 10³⁹ раз. Частицы-переносчики – гравитоны – гипотетические частицы с нулевой массой покоя.

Сила взаимодействия (в соответствии с законом всемирного тяготения):

, где G – постоянная, m₁ и m₂ – гравитационные массы частиц, r – расстояние между ними.

Рисунок 4

Таким образом, все фундаментальные взаимодействия имеют обменный характер. Их механизм одинаков и сводится к обмену частицами-переносчиками, которые испускаются и поглощаются взаимодействующими частицами.

Естественны попытки объединить все четыре типа взаимодействия в единую теорию. Например, теория электрослабого взаимодействия рассматривает электромагнитное и слабое как две стороны одного взаимодействия, различия между которыми проявляются только при достаточно низких энергиях.

Грин и Шварц предложили теорию суперструн – протяженных объектов размером 10^{-35 м}, различные состояния которых образуют известные частицы. В ней предсказывается существование тахионов – частиц, движущихся со скоростями, большими световой, из которых, предположительно, состоит теневой мир галактик.