ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

В настоящее время считается, что все взаимодействия между физическими объектами сводятся к четырем фундаментальным взаимодействиям: гравитационному, слабому, электромагнитному, сильному. Удивительно, что сегодня, как и в древности, мы снова говорим о четырех фундаментальных причинах, вызывающих разнообразные явления в природе, называя их, правда, по-другому. Название фундаментальных взаимодействий связано с тем, что в настоящее время эти взаимодействия считаются самыми основными, не сводящимися к другим взаимодействиям. Ясно, что по мере развития знаний об окружающем мире точка зрения о фундаментальных взаимодействиях может измениться. Интересно сравнить фундаментальные взаимодействия между собой, выявить наиболее существенные признаки их проявления. Наиболее известными фундаментальными взаимодействиями по их проявлениям в повседневной жизни и природных явлениях являются гравитационные и электромагнитные. Особенностью гравитационных взаимодействий является их универсальность. В этом взаимодействии участвуют все объекты Вселенной. Первую попытку научного описания гравитационного взаимодействия сделал Ньютон. Закон всемирного тяготения устанавливает зависимость силы гравитационного взаимодействия от массы взаимодействующих тел и от расстояния между ними. В 1915 г. А. штейн в созданной им общей теории относительности рассматривает гравитацию как следствие искривления пространства—времени физическими объектами, обладающими массой. В следующем году Эйнштейн предсказывает существование гравитационных волн, переносящих энергию гравитационного поля в пространстве со временем, подобно электромагнитным волнам. Экспериментальное обнаружение гравитационных волн оказалось чрезвычайно сложной задачей. В настоящее время получены лишь косвенные подтверждения существования гравитационных волн из астрономических наблюдений за изменением периода пульсаций излучения двойных нейтронных звезд-пульсаров. В 1922 г. русский физик А. А. Фридман (1888—1925), решая уравнения Эйнштейна для гравитационных полей, нашел, что Вселенная должна со временем изменять свои размеры и в зависимости от плотности своей массы может или расширяться, или сжиматься. В 1929 г. американский астроном Хаббл экспериментально установил факт расширения Вселенной, наблюдая за движением удаленных от нас галактик. Будет ли Вселенная расширяться всегда, или расширение сменится сжатием? Ответ на этот вопрос может дать только эксперимент по определению средней плотности вещества во Вселенной. Общая теория относительности предсказывает существование таких экзотических объектов, как «черные дыры». Под этим названием подразумевают звезду с массой, превышающей массу Солнца примерно в 2 раза, которая в результате внутренних процессов, происходящих в ней на определенной стадии развития, не может противостоять катастрофическому гравитационному сжатию (коллапсу). В результате сжатия радиус звезды становится меньше так называемого гравитационного радиуса Rg, равного R=2GM/c\ где G —гравитационная постоянная; М — масса звезды; с — скорость света. При таком радиусе силы тяготения на поверхности звезды принимают такое значение, что даже свет не может их преодолеть. Звезда для внешнего наблюдателя становится невидимой, «черной». Все, что оказывается в зоне действия такой звезды, проваливается в нее, как в «черную дыру». Косвенные наблюдения за некоторыми астрономическими объектами во Вселенной позволяют сделать вывод о существовании «черных дыр»; в частности, предполагают, что в центре нашей Галактики существует весьмамассивный объект, напоминающий по своим свойствам «черную дыру». Другое фундаментальное взаимодействие играет в нашей жизни не менее существенную роль, чем гравитационное. Силы, удерживающие электроны в атомах на своих орбиталях, молекулярные силы, силы упругости, силы трения, свет, электромагнитные волны — все это проявление электромагнитного взаимодействия. Теорией электромагнитного взаимодействия являются классическая и квантовая электродинамики. Электромагнитное взаимодействие переносится фотонами — квантами электромагнитного поля. Между протонами в ядрах атомов также действует электромагнитное взаимодействие, приводящее к взаимному отталкиванию протонов. Действие между протонами одних только сил электромагнитной природы привело бы к развалу ядра, однако ежедневные наблюдения убеждают в обратном. Ядра большинства химических элементов чрезвычайно устойчивые структуры. Протоны и нейтроны удерживаются в ядрах за счет сильного взаимодействия, названного так потому, что оно в сотни раз превышает электромагнитное взаимодействие между протонами в ядре. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, были названы адронами (от греческого слова hadros — сильный). Проявлением сильного взаимодействия являются внутриядерные силы, действующие между нуклонами в ядре. Как отмечалось выше, ядерные силы относятся к короткодействующим силам, их радиус действия ~ Ю-15 м. Наконец, изучение процессов радиоактивного излучения привело к открытию еще одного фундаментального взаимодействия. Это взаимодействие проявляет себя при Д-распаде ядер, в результате которого наблюдается испускание электронов из ядер радиоактивных элементов. Изучение ^-распада позволило установить, что электроны появляются вследствие распада нейтрона на протон, электрон и еще одну частицу, которая сопровождает, как правило, слабые взаимодействия. Эта частица называется электронным антинейтрино. Распад нейтрона в результате слабого взаимодействия можно представить следующим образом: > = \Р +> + S* Продукт распада адрона — протон, который также является ад-роном, и две легкие частицы — лептоны, не участвующие в сильном взаимодействии. Было установлено, что превращения элементарных частиц происходят с сохранением числа адронов, которым приписывают так называемый барионный заряд, и числа лептонов, которым приписывают лептонныи заряд. Античастицы имеют отрицательные соответствующие заряды. Обращаясь еще раз к реакции распада нейтрона, можно убедиться, что барионный и лептонный заряды при ее протекании сохраняются. Переносчиками слабого взаимодействия являются частицы, которые были открыты в 80-х гг. XX в., они носят название векторных бозонов. Из перечисленных четырех фундаментальных взаимодействий самым слабым является гравитационное взаимодействие, затем по возрастанию интенсивности взаимодействий располагаются слабое, электромагнитное, сильное взаимодействия. ? Вопросы 1. Какие взаимодействия называются фундаментальными? 2. Какие взаимодействия относятся к фундаментальным? 3. Как проявляют себя фундаментальные взаимодействия? 4. Какие частицы являются переносчиками фундаментальных взаимодействий?