Взаимодействие и силы в природе

Предмет: Физика
Тип работы: Реферат
Язык: Русский
Дата добавления: 11.09.2019

 

 

 

 

 

  • Данный тип работы не является научным трудом, не является готовой выпускной квалификационной работой!
  • Данный тип работы представляет собой готовый результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала для самостоятельной подготовки учебной работы.

Если вам тяжело разобраться в данной теме напишите мне в whatsapp разберём вашу тему, согласуем сроки и я вам помогу!

 

По этой ссылке вы сможете найти много готовых рефератов по физике:

 

Много готовых рефератов по физике

 

Посмотрите похожие темы возможно они вам могут быть полезны:

 

Источники электрической энергии
Цвет и его свойства
Инерция в нашей жизни
Открытие электрона


Введение:

Современные достижения в физике высоких энергий все больше укрепляют идею о том, что разнообразие свойств природы обусловлено взаимодействием элементарных частиц. По-видимому, невозможно дать неформальное определение элементарной частицы, поскольку речь идет о наиболее первичных элементах материи. На качественном уровне можно сказать, что физические объекты, не имеющие составных частей, называются действительно элементарными частицами.

Очевидно, что вопрос об элементарной природе физических объектов является в первую очередь экспериментальным. Например, экспериментально установлено, что молекулы, атомы, атомные ядра имеют внутреннюю структуру, что указывает на наличие составных частей. Поэтому их нельзя считать элементарными частицами. Совсем недавно было обнаружено, что такие частицы, как мезоны и барионы, также имеют внутреннюю структуру и, следовательно, не являются элементарными. В то же время внутренняя структура электрона никогда не наблюдалась, и, следовательно, ее можно отнести к элементарным частицам. Другой пример элементарной частицы это фотон света. 

Современные экспериментальные данные показывают, что существует только четыре качественно различных типа взаимодействий, в которых участвуют элементарные частицы. Эти взаимодействия называются фундаментальными, то есть самыми основными, начальными, первичными. Если мы примем во внимание все разнообразие свойств окружающего нас мира, то будет совершенно удивительно, что в Природе существуют только четыре фундаментальных взаимодействия, ответственных за все явления природы. 

В дополнение к качественным различиям, фундаментальные взаимодействия отличаются в количественном выражении силой воздействия, которое характеризуется термином интенсивность. По мере увеличения интенсивности основные взаимодействия располагаются в следующем порядке: гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное. Каждое из этих взаимодействий характеризуется соответствующим параметром, называемым константой связи, численное значение которого определяет интенсивность взаимодействия. 

Как физические объекты осуществляют фундаментальные взаимодействия друг с другом? На качественном уровне ответ на этот вопрос заключается в следующем. Фундаментальные взаимодействия передаются квантами. 

В этом случае в квантовой области фундаментальным взаимодействиям соответствуют соответствующие элементарные частицы, называемые элементарными частицами, носителями взаимодействий. В процессе взаимодействия физический объект испускает частицы, носители взаимодействия, которые поглощаются другим физическим объектом. Это приводит к тому, что объекты, кажется, чувствуют друг друга, их энергию, характер движения, изменение состояния, то есть они испытывают взаимное влияние. 

В современной физике высоких энергий, идея объединения фундаментальных взаимодействий приобретает все большее значение. Согласно идеям объединения, в Природе существует только одно фундаментальное взаимодействие, которое проявляется в определенных ситуациях как гравитационное, или как слабое, или как электромагнитное, или как сильное, или как некоторая их комбинация. Успешной реализацией идей объединения стало создание единой ныне стандартной теории электромагнитных и слабых взаимодействий. Ведется работа по разработке единой теории электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий, называемой теорией великого объединения. Предпринимаются попытки найти принцип объединения всех четырех основных взаимодействий. 

Сила тяжести

Сила гравитации называется результатом двух сил ньютоновского притяжения всей массой Земли и центробежной силы, возникающей в результате ежедневного вращения Земли. На единицу массы эти силы характеризуются ускорениями силы тяжести g = F / м , ньютоновским притяжением f = F н / м и центробежными P = P / м . Ускорение силы тяжести равно геометрической сумме ускорения силы тяжести и центробежного ускорения. Обычно в гравиметрии, когда они говорят «гравитация», они имеют в виду именно ускорение силы тяжести. 

Гравитационное взаимодействие. Это взаимодействие универсально по своей природе, в нем участвуют все типы материи, все объекты природы, все элементарные частицы! Общепринятой классической (не квантовой) теорией гравитационного взаимодействия является общая теория относительности Эйнштейна.

Гравитация определяет движение планет в звездных системах, играет важную роль в процессах, происходящих в звездах, контролирует эволюцию Вселенной, а в земных условиях проявляет себя как сила взаимного притяжения. Конечно, мы перечислили только небольшое количество примеров из огромного списка гравитационных эффектов. 

Согласно общей теории относительности, гравитация связана с кривизной пространства-времени и описывается в терминах так называемой римановой геометрии. В настоящее время все экспериментальные и наблюдательные данные о гравитации вписываются в рамки общей теории относительности. Однако данных о сильных гравитационных полях практически нет, поэтому экспериментальные аспекты этой теории содержат много вопросов. Эта ситуация приводит к появлению различных альтернативных теорий гравитации, предсказания которых практически неотличимы от предсказаний общей теории относительности физических эффектов в Солнечной системе, но приводят к различным последствиям в сильных гравитационных полях. 

Если мы пренебрегаем всеми релятивистскими эффектами и ограничиваемся слабыми стационарными гравитационными полями, то общая теория относительности сводится к теории универсального тяготения Ньютона. В этом случае, как известно, потенциальная энергия взаимодействия двух точечных частиц с массами m 1 и m 2 определяется соотношением 

где r расстояние между частицами, G ньютоновская гравитационная постоянная, которая играет роль константы гравитационного взаимодействия. Это соотношение показывает, что потенциальная энергия взаимодействия V ( r ) отлична от нуля для любого конечного r и очень медленно уменьшается до нуля. По этой причине гравитационное взаимодействие называется дальнодействующим. 

Из многих физических предсказаний общей теории относительности отметим три. Теоретически установлено, что гравитационные возмущения могут распространяться в пространстве в форме волн, называемых гравитационными волнами. 

Распространение слабых гравитационных возмущений во многом аналогично электромагнитным волнам. Их скорость равна скорости света, они имеют два состояния поляризации, для них характерны явления интерференции и дифракции. Однако из-за чрезвычайно слабого взаимодействия гравитационных волн с веществом их непосредственное экспериментальное наблюдение пока невозможно. Тем не менее данные некоторых астрономических наблюдений о потере энергии в двойных звездных системах свидетельствуют о возможном существовании гравитационных волн в природе. 

Взаимодействие и силы в природе

Теоретическое изучение условий равновесия звезд в рамках общей теории относительности показывает, что при определенных условиях достаточно массивные звезды могут начать катастрофически разрушаться. Это оказывается возможным на довольно поздних этапах эволюции звезды, когда внутреннее давление, вызванное процессами, ответственными за светимость звезды, не в состоянии уравновесить давление гравитационных сил, стремящихся сжать звезду. В результате процесс сжатия больше не может быть остановлен. Описанное физическое явление, теоретически предсказанное в рамках общей теории относительности, называется гравитационным коллапсом. Исследования показали, что если радиус звезды становится меньше, чем так называемый гравитационный радиус 

Rg = 2 гм / с 2, 

где М масса звезды, а с скорость света, то для внешнего наблюдателя звезда гаснет. Никакая информация о процессах, происходящих в этой звезде, не может дойти до внешнего наблюдателя. В этом случае тела, падающие на звезду, свободно пересекают гравитационный радиус. Если под таким телом подразумевается наблюдатель, то он не заметит ничего, кроме увеличения силы тяжести. Таким образом, возникает область пространства, в которую можно войти, но из которой ничего не может выйти, включая луч света. Эта область пространства называется черной дырой. Существование черных дыр является одним из теоретических предсказаний общей теории относительности, некоторые альтернативные теории гравитации построены таким образом, что они запрещают этот тип явления. В связи с этим вопрос реальности черных дыр чрезвычайно важен. В настоящее время имеются данные наблюдений, указывающие на наличие черных дыр во Вселенной. 

В рамках общей теории относительности впервые появилась возможность сформулировать проблему эволюции Вселенной. Таким образом, Вселенная в целом становится не предметом умозрительных рассуждений, а объектом физической науки. Отрасль физики, предметом которой является Вселенная в целом, называется космологией. В настоящее время считается общепризнанным, что мы живем в расширяющейся вселенной. 

Современная картина эволюции Вселенной основана на идее, что Вселенная, включая ее атрибуты, такие как пространство и время, возникла в результате особого физического явления, называемого Большим взрывом, и с тех пор расширяется. Согласно теории эволюции Вселенной, расстояние между далекими галактиками должно возрастать со временем, и вся Вселенная должна быть заполнена тепловым излучением с температурой порядка 3 K . Эти предсказания теории находятся в прекрасном согласии с данными астрономических наблюдений. В то же время оценки показывают, что возраст Вселенной, то есть время, прошедшее с момента Большого взрыва, составляет около 10 миллиардов лет. Что касается деталей Большого взрыва, то это явление мало изучено, и мы можем говорить о тайне Большого взрыва как о вызове физической науке в целом. Не исключено, что объяснение механизма Большого взрыва связано с новыми, пока неизвестными законами Природы. Общепринятым современный вид возможного решения проблемы большого взрыва основана на идее объединения теории гравитации и квантовой механики. 

Слабое взаимодействие

Это взаимодействие является самым слабым из фундаментальных взаимодействий, экспериментально наблюдаемых при распадах элементарных частиц, где квантовые эффекты существенны. Напомним, что квантовых проявлений гравитационного взаимодействия никогда не наблюдалось. Слабое взаимодействие различается по следующему правилу: если элементарная частица, называемая нейтрино (или антинейтрино), участвует во взаимодействии, то это взаимодействие является слабым. 

Слабое взаимодействие намного интенсивнее гравитационного.

Слабое взаимодействие, в отличие от гравитационного, короткое. Это означает, что слабое взаимодействие между частицами вступает в силу, только если частицы находятся достаточно близко друг к другу. Если расстояние между частицами превышает определенное значение, называемое характерным радиусом взаимодействия, слабое взаимодействие не проявляется. Экспериментально установлено, что характерный радиус слабого взаимодействия составляет порядка 10-15 см, то есть слабое взаимодействие сосредоточено на расстояниях, меньших размеров атомного ядра. 

Почему мы можем говорить о слабом взаимодействии как независимой форме фундаментальных взаимодействий? Ответ прост. Установлено, что существуют процессы превращения элементарных частиц, которые не сводятся к гравитационному, электромагнитному и сильному взаимодействиям. Хороший пример, показывающий, что существует три качественно различных взаимодействия в ядерных явлениях, связан с радиоактивностью. Эксперименты указывают на наличие трех разных типов радиоактивности: а -, б и г радиоактивные распады. В этом случае aраспад обусловлен сильным взаимодействием, gраспад электромагнитный. Оставшийся bраспад нельзя объяснить электромагнитными и сильными взаимодействиями, и мы вынуждены признать, что существует еще одно фундаментальное взаимодействие, называемое слабым. В общем случае необходимость введения слабого взаимодействия обусловлена ​​тем, что в природе происходят процессы, в которых электромагнитные и сильные распады запрещены законами сохранения. 

Хотя слабое взаимодействие по существу сосредоточено в ядре, оно имеет определенные макроскопические проявления. Как мы уже отмечали, это связано с процессом bрадиоактивности. Кроме того, слабое взаимодействие играет важную роль в так называемых термоядерных реакциях, которые ответственны за механизм выделения энергии в звездах. 

Самым удивительным свойством слабого взаимодействия является наличие процессов, в которых проявляется зеркальная асимметрия. На первый взгляд кажется очевидным, что разница между понятиями слева и справа произвольна. Действительно, процессы гравитационного, электромагнитного и сильного взаимодействий инвариантны относительно пространственной инверсии, которая осуществляет зеркальное отражение. Говорят, что в таких процессах пространственная четность P сохраняется . Однако экспериментально установлено, что слабые процессы могут протекать с несохранением пространственной четности и, следовательно, похоже, чувствуют разницу между левым и правым. В настоящее время имеются убедительные экспериментальные доказательства того, что несохранение четности в слабых взаимодействиях носит универсальный характер; оно проявляется не только в распадах элементарных частиц, но и в ядерных и даже атомных явлениях. Следует признать, что зеркальная асимметрия является свойством природы на самом фундаментальном уровне. 

Все заряженные тела, все заряженные элементарные частицы участвуют в электромагнитном взаимодействии. В этом смысле он достаточно универсален. Классическая теория электромагнитного взаимодействия максвелловская электродинамика. В качестве константы связи берется заряд электрона a e. 

Если мы рассмотрим два точечных заряда покоя q 1 и q 2, то их электромагнитное взаимодействие будет сведено к известной электростатической силе. Это означает, что взаимодействие является дальним и медленно уменьшается с увеличением расстояния между зарядами. Заряженная частица испускает фотон, в результате чего изменяется ее состояние движения. Другая частица поглощает этот фотон, а также меняет свое состояние движения. В результате частицы, кажется, чувствуют присутствие друг друга. Хорошо известно, что электрический заряд является размерной величиной. Удобно ввести безразмерную константу связи электромагнитного взаимодействия. Для этого используйте фундаментальные константы и c. В результате мы приходим к следующей безразмерной константе связи, называемой в атомной физике постоянной тонкой структуры 

Легко видеть, что эта постоянная намного выше, чем константы гравитационного и слабого взаимодействий.

С современной точки зрения электромагнитные и слабые взаимодействия являются разными сторонами одного электрослабого взаимодействия. Была создана единая теория электрослабого взаимодействия, теория Вайнберга-Салама-Глэшоу, которая объясняет все аспекты электромагнитных и слабых взаимодействий с единой точки зрения. Можно ли понять на качественном уровне, как происходит разделение единого взаимодействия на отдельные, как бы независимые взаимодействия? 

Пока характерные энергии достаточно малы, электромагнитное и слабое взаимодействия разделены и не влияют друг на друга. С увеличением энергии начинается их взаимное влияние, и при достаточно высоких энергиях эти взаимодействия сливаются в одно электрослабое взаимодействие. Характеристическая энергия объединения оценивается по порядку величины как 102 ГэВ (ГэВ сокращенно от гигаэлектрон-вольт, 1 ГэВ = 109 эВ, 1 эВ = 1,6 · 10-12 эрг = 1,6 · 1019 Дж). Для сравнения отметим, что характерная энергия электрона в основном состоянии атома водорода составляет порядка 10-8 ГэВ, характерная энергия связи атомного ядра составляет порядка 10-2 ГэВ, а характерная энергия связи твердого тела составляет порядка 10-10 ГэВ. Таким образом, характерная энергия объединения электромагнитных и слабых взаимодействий огромна по сравнению с характеристическими энергиями в атомной и ядерной физике. По этой причине электромагнитные и слабые взаимодействия не проявляют своей единой сущности в обычных физических явлениях. 

Сильное взаимодействие

Сильные взаимодействия ответственны за стабильность атомных ядер. Поскольку атомные ядра большинства химических элементов стабильны, ясно, что взаимодействие, которое удерживает их от распада, должно быть достаточно сильным. Хорошо известно, что ядра состоят из протонов и нейтронов.

Чтобы предотвратить рассеивание положительно заряженных протонов в разных направлениях, необходимо иметь силы притяжения между ними, которые превышают силы электростатического отталкивания. Именно сильное взаимодействие ответственно за эти силы притяжения. 

Характерной чертой сильного взаимодействия является его зарядовая независимость. Ядерные силы притяжения между протонами, между нейтронами и между протоном и нейтроном по существу одинаковы. Отсюда следует, что с точки зрения сильных взаимодействий протон и нейтрон неразличимы и для них используется один термин нуклон, то есть частица ядра. 

Заключение

Итак, мы рассмотрели основную информацию о четырех фундаментальных взаимодействиях Природы. Кратко описаны микроскопические и макроскопические проявления этих взаимодействий, картина физических явлений, в которых они играют важную роль. 

Везде, где это было возможно, мы старались проследить тенденцию объединения, отметить общие черты фундаментальных взаимодействий, чтобы предоставить данные о характерных масштабах явлений. Разумеется, представленный здесь материал не претендует на полноту и не содержит много важных деталей, необходимых для систематического изложения. Детальное описание поднятых нами вопросов требует использования всего арсенала методов современной теоретической физики высоких энергий и выходит за рамки данной статьи и научно-популярной литературы. Нашей целью было представить общую картину достижений современной теоретической физики высоких энергий, тенденций ее развития. Мы постарались вызвать интерес читателя к самостоятельному, более подробному изучению материала. Конечно, при таком подходе определенная шероховатость неизбежна. 

Предлагаемая библиография позволяет более подготовленному читателю углубить понимание вопросов, обсуждаемых в статье.