Фундаментальные взаимодействия и универсальные физические постоянные

или видимой нами Вселенной                             1026

Диаметр нашей Галактики                                           1021

Расстояние от Земли до Солнца                             1011

Диаметр Солнца                                                         109

Размер человека                                                         100

Длина волн видимого света                             10-6 - 10-7

Размер вирусов                                                         106 - 10-8

Диаметр атома водорода                                           10-10

Диаметр атомного ядра                                           10-15

Минимальное расстояние,

доступное сегодня нашим измерениям               10-18

Из этих данных видно, что отношение самого боль­шого к самому малому размеру, доступному сегодняш­нему эксперименту, составляет 44 порядка. С разви­тием науки данное отношение постоянно возрастало и будет возрастать по мере накопления новых знаний об окружающем нас мире. Ведь «мир наш – только школа, где мы учимся познавать», – так сказал фран­цузский философ-гуманист Мишель Монтень (1533–1592).

На примере развития классической механики можно убедиться в том, насколько длинный и терни­стый путь лежит между аристотелевским противопос­тавлением земных и небесных явлений и представле­нием об универсальности законов механики и, в частности, закона всемирного тяготения, в одинако­вой мере применимого как для земных, так и для не­бесных тел.

Каждый фундаментальный физический закон опи­сывает вполне определенные объекты окружающего мира вне зависимости от того, где они находятся. Универсальность физических законов заключается в том, что они применимы к объектам всего мира, дос­тупным нашим наблюдениям с помощью самых совер­шенных и чувствительных приборов. Атомы везде одинаковы – на Земле и в космосе.

Это подтверждается результатами исследований в космосе и наблюдаемыми спектрами электромагнит­ного излучения различных космических объектов. За­коны сохранения импульса и энергии применимы для описания не только для движения тел на Земле, но и взаимодействия элементарных частиц, а также дви­жения планет и звезд. Универсальность физических за­конов подтверждает единство природы и Вселенной в целом.

3. Виды фундаментальных взаимодействий

Многие основополагающие концепции современ­ного естествознания прямо или косвенно связаны с описанием фундаментальных взаимодействий. Взаи­модействие и движение – важнейшие атрибуты ма­терии, без которых невозможно ее существование. Взаимодействие обусловливает объединение различ­ных материальных объектов в системы, т. е. систем­ную организацию материи. Многие свойства матери­альных объектов производны от их взаимодействия, являются результатом их структурных связей между собой и взаимодействий с внешней средой.

К настоящему времени известны четыре вида основных фундаментальных взаимодействий:

■ гравитационное,

■ электромагнитное,

■ сильное,

■ слабое.

Гравитационное взаимодействие характерно для всех материальных объектов вне зависимости от их природы. Оно заключается во взаимном притяжении тел и определяется фундаментальным законом все­мирного тяготения: между двумя точечными телами действует сила притяжения, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними. Гравитационным взаимодействием определяется падение тел в поле сил тяготения Земли. Законом всемирного тяготения опи­сывается, например, движение планет Солнечной сис­темы, а также других макрообъектов. Предполагается, что гравитационное взаимодействие обусловливается некими элементарными частицами – гравитонами, существование которых к настоящему времени экспе­риментально не подтверждено.

Электромагнитное взаимодействие связано с электрическими и магнитными полями. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное поле – при их движении. В природе су­ществуют как положительные, так и отрицательные за­ряды, что и определяет характер электромагнитного взаимодействия. Например, электростатическое взаи­модействие между заряженными телами в зависи­мости от знака заряда сводится либо к притяжению, либо к отталкиванию. При движении зарядов в зави­симости от их знака и направления движения между ними возникает либо притяжение, либо отталкивание. Различные агрегатные состояния вещества, явление трения, упругие и другие свойства вещества опреде­ляются преимущественно силами межмолекулярного взаимодействия, которое по своей природе является электростатическим. Электромагнитное взаимодейст­вие описывается фундаментальными законами элек­тростатики и электродинамики: законом Кулона, зако­ном Ампера и др. Его наиболее общее описание дает электромагнитная теория Максвелла, основанная на фундаментальных уравнениях, связывающих электри­ческое и магнитное поля.

Сильное взаимодействие обеспечивает связь нук­лонов в ядре и определяет ядерные силы, которые об­ладают зарядовой независимостью, короткодействием, насыщением и другими свойствами.

Наконец, слабое взаимодействие описывает неко­торые виды ядерных процессов. Оно короткодействую­щее и характеризует все виды бета-превращений.

Обычно для количественного анализа перечислен­ных взаимодействий используют две характеристики: безразмерную константу взаимодействия, определя­ющую величину взаимодействия, и радиус действия (табл. 1).

Таблица 1

По данным табл. 1 видно, что константа грави­тационного взаимодействия самая малая. Радиус дей­ствия его, как и электромагнитного взаимодействия, неограничен. Гравитационное взаимодействие в клас­сическом представлении в процессах микромира существенной роли не играет. Однако в макропроцес­сах ему принадлежит определяющая роль. Например, движение планет Солнечной системы «происходит в строгом соответствии с законами гравитационного взаимодействия»[1].

В настоящее время закон всемирного тяготения запи­сывают в виде[2]:

F=G(m1m2)/r2,

F – сила притяжения между телами, m1 и m2 – масса взаи­модействующих тел, r – расстояние между телами, G – так называемая гравитационная постоянная

G=6,6710-11м3кг-1c-2.

Сильное взаимодействие отвечает за устойчивость ядер и распространяется только в пределах размеров ядра. Чем сильнее взаимодействуют нуклоны в ядре, тем оно устойчивее, тем больше его энергия связи, определяемая работой, которую необходимо совер­шить, чтобы разделить нуклоны и удалить их друг от друга на такие расстояния, при которых взаимодейст­вие становится равным нулю. С возрастанием размера ядра энергия связи уменьшается. Так, ядра элементов, находящихся в конце таблицы Менделеева, неустой­чивый могут распадаться. Такой процесс часто назы­вается радиоактивным распадом.

Взаимодействие между атомами и молекулами имеет преимущественно электромагнитную природу. Таким взаимодействием объясняется образование различных агрегатных состояний вещества: твердого, жидкого и газообразного. Например, между молеку­лами вещества в твердом состоянии взаимодействие в виде притяжения проявляется гораздо сильнее, чем между теми же молекулами в газообразном состоянии.

Агрегатные состояния вещества, состояния одного и того же вещества (например, воды, железа, серы), переходы между которыми сопровождаются скачкообразными изменениями свободной энергии, энтропии, плотности и других основных физических свойств. Так, вода при нормальном давлении 101 325н/м2 = 760 мм рт. ст. и при 0ºС кристаллизуется в лёд, а при 100ºС кипит и превращается в пар. Следовательно, вода может существовать в твёрдом, жидком и газообразном А. с. К трём указанным А. с. вещества часто причисляют ещё плазму. Существование нескольких А. с. обусловлено различиями в характере теплового движения молекул (атомов) вещества и в их взаимодействии. В газах молекулы почти не взаимодействуют и движутся свободно, заполняя весь объём, в котором газ находится. У жидкостей и твёрдых тел - конденсированных систем - молекулы (атомы) расположены близко друг от друга и взаимодействуют со значительными силами. Это приводит к сохранению жидкостями и твёрдыми телами определённого объёма. Однако характер движения молекул в жидкостях и в твёрдых телах различен, чем и объясняется различие их структуры и свойств. У твёрдых тел в кристаллическом состоянии атомы совершают лишь небольшие колебания вблизи узлов кристаллической решётки; структура этих тел характеризуется высокой степенью упорядоченности - дальним порядком в расположении атомов. Тепловое движение молекул жидкости представляет собой сочетание малых колебаний около положений равновесия и частых перескоков из одного положения равновесия в другое. Последние и обусловливают существование в жидкостях лишь ближнего порядка в расположении молекул (атомов), а также свойственные жидкому состоянию подвижность и текучесть.

4. Некоторые фундаментальные закономерности развития процессов

Структурность и системная организация материи относятся к числу ее важнейших атрибутов. Они вы­ражают упорядоченность существования материи и те конкретные формы, в которых она проявляется. Под структурой материи обычно понимается ее строение в микромире, существование в виде молекул, атомов, элементарных частиц и т. д. Однако, если рассматри­вать материю в целом, во всех доступных и потенци­ально возможных формах ее существования, то по­нятие структуры материи будет охватывать также различные макроскопические тела, все космические системы мегамира, причем в любых, сколь угодно боль­ших пространственно-временных масштабах. С этой точки зрения структура материи проявляется в ее существовании в виде бесконечного многообразия целостных систем, тесно связанных между собой в закономерном движении и взаимодействии, в упорядо­ченном строении каждой из них. Эта структура не­исчерпаема и бесконечна в количественном и качест­венном отношениях.

В доступных пространственно-временных масшта­бах структурность материи проявляется в ее систем­ной организации, существовании в виде множества иерархически взаимосвязанных систем, начиная от элементарных частиц и кончая Метагалактикой. По­следнюю иногда отождествляют со всей Вселенной, но для этого нет никаких оснований, ибо Вселенная в це­лом, понимаемая в предельно широком смысле этого слова тождественна всему материальному миру и дви­жущейся материи, которая может включать в себя бесконечное множество Метагалактик или других кос­мических систем/Понятие «Вселенная», используемое в различных космологических моделях, обозначает наблюдаемую Вселенную (Метагалактику) либо же различные аспекты последней, как они представляют­ся через содержание принятых моделей.

В неживой природе множество объектов будет представлять целостную систему лишь в том случае, если энергия связи между ними больше суммарной ки­нетической энергии и энергии внешних воздействий, направленных на разрушение системы. В противном случае система не возникает или распадается. Энер­гия внутренних связей – это общая энергия, которую нужно было бы приложить последовательно к каждому элементу, чтобы удалить его из системы на большое расстояние, т. е. «растащить» систему. Поскольку эта энергия не может возникнуть из ничего, и "каждый из элементов существует в некоторой «потенциальной яме», то стабильность и целостность систем оказы­ваются косвенно обусловленными действием закона сохранения энергии.

Энергия внутренних связей может иметь различ­ное значение в зависимости от характера сил, объеди­няющих тела в системы. С переходом от космических систем к макроскопическим телам, молекулам и ато­мам к гравитационным силам добавляются электромаг­нитные силы, во много раз превышающие гравитаци­онные. Чем меньше размеры материальных систем, тем более прочно связаны их элементы.

В случае элементарных частиц энергия внутрен­них связей сопоставима с их собственной энергией, что можно использовать для определения элемен­тарных частиц: они представляют собой такие мик­рообъекты, у которых энергия внутренних связей сопоставима с их собственной энергией, и которые взаимодействуют как единое целое во всех доступных измерениям микропроцессах.

Особенности и специфика взаимодействий меж­ду компонентами сложных микро- и макросистем, а также внешних взаимодействий между ними приво­дят к громадному их многообразию. Для микро- и мак­росистем характерна индивидуальность: каждая сис­тема описывается присущей только ей совокупностью всевозможных свойств. Можно назвать существенные различия между ядрами водорода и урана, хотя оба они относятся к микросистемам. Не меньше различий между Землей и Марсом, хотя эти планеты принадле­жат одной и той же Солнечной системе.

Однако можно говорить о тождественности эле­ментарных частиц. Тождественные частицы обладают одинаковыми физическими свойствами: массой, элек­трическим зарядом, спином и другими внутренними характеристиками (квантовыми числами). Например, все электроны Вселенной считаются тождественными. Понятие о тождественных частицах как о-принципи­ально неразличимых частицах – чисто квантовомеха-ническое. Тождественные частицы подчиняются прин­ципу тождественности.

Принцип тождественности – фундаменталь­ный принцип квантовой механики, согласно которому состояния системы частиц, получающиеся друг из друга перестановкой тождественных частиц места­ми, нельзя различить ни в каком эксперименте. Такие состояния должны рассматриваться как одно физи­ческое состояние. Этот принцип – одно из основных различий между классической и квантовой механикой. В классической механике всегда можно проследить за движением отдельных частиц по траекториям и таким образом отличить частицы одну от другой. В кванто­вой механике тождественные частицы полностью ли­шены индивидуальности.

Состояние частицы в квантовой механике описы­вается волновой функцией, позволяющей определить лишь вероятность нахождения частицы в данной точ­ке пространства. Если в пространстве волновые функ­ции двух или более тождественных частиц не опреде­ляются, то нет смысла говорить о том, какая из них находится в данной точке. В данном случае имеет смысл говорить лишь о вероятности нахождения в этой точке одной из тождественных частиц.

Эмпирическим фактом, который и составляет сущ­ность принципа тождественности, является то, что в природе различают лишь два класса волновых функ­ций для систем тождественных частиц: симметрич­ные волновые функции, у которых при перестановке пространственных и спиновых координат любой пары тождественных частиц волновая функция не изменя­ется, и антисимметричные волновые функции, при аналогичной перестановке изменяющие знак.