X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Введение

Издавна человек стремился познать и понять окружающий его физический мир. До конца XIX в. считалось, что атомы представляют собой неделимые частицы вещества. После революционных открытий в физике [1], сделанных на рубеже прошлого и нынешнего столетий, было установлено, что атомы делимы, и имеют сложное строение. Они состоят из различных более мелких частиц, взаимодействующих друг с другом, благодаря чему возможны различные атомные изменения и превращения. Эти частицы были названы элементарными.

Современные достижения физики высоких энергий всё больше укрепляют представление, что многообразие свойств Природы обусловлено взаимодействующими элементарными частицами. Оказывается, всё бесконечное разнообразие физических процессов, происходящих в нашем мире, можно объяснить существованием в природе очень малого количества фундаментальных взаимодействий. В природе лишь четыре типа фундаментальных взаимодействий: слабое, сильное, электромагнитное и гравитационное [2]. Взаимодействием их друг с другом объясняется упорядоченность расположения небесных тел во Вселенной. Именно они являются теми «стихиями», которые движут небесными телами, порождают свет и делают возможной саму жизнь.

Гравитационное взаимодействие

Гравитация(от лат. Gravitas– «тяжесть») – универсальное фундаментальное взаимодействие между всеми материальными телами.

Гравитация первым из четырех фундаментальных взаимодействий стала предметом научного исследования. В приближении малых скоростей и слабого гравитационного взаимодействия описывается теорией тяготения Ньютона [3], которая позволила впервые осознать истинную роль гравитации как силы природы; в общем случае описывается общей теорией относительности Эйнштейна [4].

Гравитационное взаимодействие характерно для всех материальных объектов вне зависимости от их природы. Всякая частица находится под действием гравитационной силы, величина которой зависит от массы и энергии частицы.

Гравитационное взаимодействиене проявляется в микромире. Оно проявляется в макромире и, особенно, в мегамире, играя первостепенную роль в структуре последнего.

Итак, гравитационное взаимодействие заключается во взаимном притяжении тел и определяется законом всемирного тяготения: между двумя точечными телами действует сила притяжения, прямо пропорциональная произведению их масс m и обратно пропорциональна квадрату расстояния r между ними.

F = G·m₁·m₂ / r²,

где G – гравитационная постоянная, G = 6,673·10^-11 Н·м²·кг².

Для очень больших тел или же не имеющих определенной формы это выражение принимает более сложный вид.

Гравитационным взаимодействием определяется падение тел в поле сил тяготения Земли.

Законом всемирного тяготения описывается движение планет солнечной системы, нашей Галактики – Млечного Пути, а также других макрообъектов. Предполагается, что гравитационное взаимодействие обуславливается некими элементарными частицами. Такие гипотетические частицы называют гравитонами. Гравитон [5] не обладает собственной массой и поэтому переносимая им сила является дальнодействующей. Гравитационное взаимодействие между Солнцем и Землёй объясняется тем, что частицы, из которых состоят Земля и Солнце, обмениваются гравитонами. Несмотря на то, что в обмене участвуют лишь гипотетические частицы, создаваемый ими эффект, безусловно, поддаётся измерению, потому что этот эффект – вращение Земли вокруг Солнца. Реальные гравитоны распространяются в виде волн, но они очень слабые и их трудно зарегистрировать, поэтому существование их к настоящему времени экспериментально не подтверждено.

Гравитация [6] – это очень слабая сила, которую мы вообще не заметили бы, если бы не её специфические свойства, отличающие её от других фундаментальных взаимодействий: гравитационные силы действуют на больших расстояниях и всегда являются силами притяжения.

Гравитационное взаимодействие в классическом представлении в процессах микромира существенной роли не играет. Однако в макропроцессах ему принадлежит определяющая роль.

Наиболее удивительной особенностью гравитации является её малая интенcивность. Гравитация является самым слабым из четырёх типов фундаментальных взаимодействий. Гравитационное взаимодействие в 10³⁹ раз меньше силы взаимодействия электрических зарядов. Однако, поскольку оно действует на любых расстояниях, и все массы положительны, это, тем не менее, очень важная сила во Вселенной.

В частности, электромагнитное взаимодействие между телами на космических масштабах мало, поскольку полный электрический заряд этих тел равен нулю (вещество в целом электрически нейтрально). Также гравитация, в отличие от других взаимодействий, универсальна в действии на всю материю и энергию. Не обнаружены объекты, у которых вообще отсутствовало бы гравитационное взаимодействие.

Как может такое слабое взаимодействие оказаться господствующей силой во Вселенной?

Все дело во второй удивительной черте гравитации – её универсальности. Ничто во Вселенной не может избежать гравитации. Каждая частица испытывает на себе действие гравитации и сама является источником гравитации, вызывает гравитационное притяжение. Гравитация возрастает по мере образования всё больших скоплений вещества. И хотя притяжение одного атома пренебрежимо мало, но результирующая сила притяжения со стороны всех атомов может быть значительной. Это проявляется и в повседневной жизни: мы ощущаем гравитацию потому, что все атомы Земли сообща притягивают нас.

Гравитационное взаимодействие прямопропорционально массе взаимодействующих тел. Из-за малости массы элементарных частиц гравитационное взаимодействие между частицами невелико по сравнению с другими видами взаимодействия, поэтому в процессах микромира это взаимодействие несущественно. При увеличении массы взаимодействующих тел (т.е. при увеличении числа содержащихся в них частиц) гравитационное взаимодействие между телами возрастает прямо пропорционально их массе.

Гравитация дальнодействующая сила природы [7]. Это означает, что как бы массивное тело ни двигалось, в любой точке пространства гравитационный потенциал зависит только от положения тела в данный момент времени.

В макромире при рассмотрении движения планет, звёзд, галактик, а также движения небольших макроскопических тел в их полях гравитационное взаимодействие становится определяющим.

Большие космические объекты-планеты, звёзды и галактики имеют огромную массу и, следовательно, создают значительные гравитационные поля.

Благодаря дальнодействию гравитация не позволяет Вселенной развалиться на части: она удерживает планеты на орбитах, звёзды в галактиках, галактики в скоплениях, скопления в Метагалактике.

Из-за глобального характера гравитация ответственна и за такие крупномасштабные эффекты, как структура галактик, чёрные дыры и расширение Вселенной, и за элементарные астрономические явления – орбиты планет, и за простое притяжение к поверхности Земли и падения тел. Оно удерживает атмосферу, моря и всё живое и неживое на Земле, Землю, вращающуюся по орбите вокруг Солнца, Солнце в пределах Галактики.

Гравитационным взаимодействием определяется падение тел в поле сил тяготения Земли.

Гравитационное взаимодействие играет главную роль в процессах образования и эволюции звёзд. Сила гравитации, действующая между частицами, всегда представляет собой силу притяжения: она стремится сблизить частицы. Гравитационное отталкивание еще никогда не наблюдалось.

Электромагнетизм

Электромагнитное взаимодействие существует между частицами, обладающими электрическим зарядом. С современной точки зрения электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами осуществляется не прямо, а только посредством электромагнитного поля. Электромагнитное взаимодействие проявляется и в микромире, и в макромире, и в Мегамире, но играет решающую роль в структуре макромира. Это взаимодействие в тысячу раз слабее сильного, но действует на гораздо бόльших расстояниях, чем оно. В результате него электроны и атомные ядра соединяются в атомы, атомы – в молекулы, молекулы – в макротела и т.д.

Электромагнитное взаимодействие связано с электрическими и магнитными полями. Электрические поля возникают при наличии электрических зарядов, а магнитные – при их движении. В природе существуют положительные и отрицательные заряды, это и определяет характер электромагнитного взаимодействия: оно действует между электрически заряженными частицами. В отличие от гравитационных сил, которые являются силами притяжения, одинаковые по знаку заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются.

Различные агрегатные состояния веществ, явление трения, упругие и другие свойства вещества определяются преимущественно силами межмолекулярного взаимодействия, которые по своей природе являются электромагнитными. Электромагнитное взаимодействие описывается законом Ш. Кулона [8].

Сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел прямо пропорциональна произведению абсолютных значений зарядов q₁ и q₂ и обратно пропорциональна квадрату расстояния r между телами.

F= k·q₁·q₂ / r²,

где k – коэффициент пропорциональности, k = 9·10⁹ Н·м·Кл².

Наиболее общее описание электромагнитного взаимодействия даёт электромагнитная теория Максвелла, основанная на фундаментальных уравнениях, связывающих электрическое и магнитное поля [9].

В Мегамире электромагнитное взаимодействие звёзд пренебрежимо мало по сравнению с гравитационным: т.к. звёзды электронейтральны, а расстояние между ними очень большое. Электромагнитное взаимодействие заряженных частиц намного сильнее гравитационного, и единственная причина, по которой электромагнитное взаимодействие не проявляется с большой силой на космических масштабах – электрическая нейтральность материи, то есть наличие в каждой области Вселенной с высокой степенью точности равных количеств положительных и отрицательных зарядов.

Поскольку по величине электрические силы намного превосходят гравитационные, то в отличие от слабого гравитационного взаимодействия электрические силы, действующие между телами обычных размеров, можно легко наблюдать. Электромагнетизм известен людям с незапамятных времен (полярные сияния, вспышки молнии и др.). В течение долгого времени электрические и магнитные процессы изучались независимо друг от друга. Существование электрона (единицы электрического заряда) было твёрдо установлено в 90-е г. XIX в.

Но не все материальные частицы являются носителями электрического заряда. Электрически нейтральны, например, фотон и нейтрино. В этом электричество и отличается от гравитации. Все материальные частицы создают гравитационное поле, тогда как с электромагнитным полем связаны только заряженные частицы. Долгое время загадкой была и природа магнетизма. Как и электрические заряды, одноименные магнитные полюсы отталкиваются, а разноименные – притягиваются. В отличие от электрических зарядов магнитные полюсы встречаются не по отдельности, а только парами – северный полюс и южный. Хорошо известно, что в обычном магнитном стержне один конец действует как северный полюс, а другой – как южный. Ещё с древнейших времён известны попытки получить посредством разделения магнита лишь один изолированный магнитный полюс – монополь. Но все они заканчивались неудачей: на месте разреза возникали два новых магнита, каждый из которых имел и северный, и южный полюсы. Может быть, существование изолированных магнитных полюсов в природе исключено? Определённого ответа на этот вопрос пока не существует [10].

Электрическая и магнитная силы (как и гравитация) являются дальнодействующими, их действие ощутимо на больших расстояниях от источника. Электромагнитное взаимодействие проявляется на всех уровнях материи – в мегамире, макромире и микромире. Электромагнитное поле Земли простирается далеко в космическое пространство; мощное поле Солнца заполняет всю Солнечную систему; существуют и галактические электромагнитные поля. К нему сводятся все обычные силы: силы упругости, трения, поверхностного натяжения, им определяются агрегатные состояния вещества, оптические явления и др.

Таким образом, нашу Вселенную формируют силы всего четырёх типов. Масштаб явлений, определяемых каждой фундаментальной силой, зависит от радиуса её действия. Тяготение проявляется главным образом в астрономическом и космологическом масштабах, электромагнитные силы – в так называемом макромире, то есть в мире человеческой деятельности, от размеров Земли до расстояний порядка атомных. Короткодействующие ядерные силы, как бы велики и важны они ни были, совершенно не участвуют в явлениях на таких масштабах.

На расстояниях настолько ничтожных, что атомное ядро по сравнению с ними – все равно, что Галактика по сравнению с обычными человеческими размерами, в игру снова вступает тяготение. На таких расстояниях сама геометрия нашего мира никогда не остаётся в покое — она непрерывно флуктуирует, «дышит». Но геометрия мира, его пространственно-временная кривизна – это и есть гравитация. Поэтому у известного американского физика Ш. Глэшоу [11] четыре фундаментальные силы, которые формируют всю нашу Вселенную, ассоциируются со змеей, кусающей себя за хвост.

Заключение

Многие основополагающие концепции современного естествознания прямо или косвенно связаны с описанием фундаментальных взаимодействий. Согласно современным представлениям, различают взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное, слабое. Все встречающиеся в природе взаимодействия являются либо проявлением одного из указанных вида взаимодействия либо их комбинацией, на которых базируется взаимосвязь всех материальных объектов микро-, макро- и Мегамира. От радиуса действия сил зависит масштаб явлений, в которых те или иные силы играют основную роль. И ни одно из них не является излишним. Все они в равной мере необходимы для «нормального функционирования» Вселенной.

Гравитационное взаимодействие – фундаментальное взаимодействие, которое не проявляется в микромире, а проявляется в макромире и Мегамире, играет решающую роль в структуре Мегамира и лежит в основе образования, эволюции и движения мегаобъектов (планет, звёзд, галактик и т.п.), так как представляет собой не что иное, как всемирное тяготение (взаимное притяжение огромных космических объектов – планет и звёзд). Расстояние, на котором оно действует, неограниченно.

Большинство элементарных частиц имеют заряд, с которым связано электромагнитное взаимодействие, в природе существуют два типа заряда (положительный и отрицательный). Именно электромагнитные силы ответственны за стабильность атомов, они же определяют строение молекул и протекание химических реакций.

Если бы не взаимодействия, то частицы материи двигались бы независимо; «не подозревая» о существовании других частиц. Благодаря взаимодействиям частицы как бы обретают способность распознавать другие частицы и реагировать на них, в результате чего рождается коллективное поведение. Однако, если принять во внимание всё многообразие свойств окружающего нас Мира, то кажется совершенно удивительным, что в Природе есть только четыре фундаментальных взаимодействия, ответственных за все явления Природы.

Ведутся поиски других типов фундаментальных взаимодействий, как в явлениях микромира, так и в космических масштабах, однако пока какого-либо другого типа фундаментального взаимодействия не обнаружено. В Википедии была опубликована статья «Пятая сила», которая была удалена автором 1 августа 2016 г.

Список использованных источников:

1. Революция в науке // Википедия [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B5%D0%B2%D0%BE%D0%BB%D1%8E%D1%86%D0%B8%D1%8F_%D0%B2_%D0%BD%D0%B0%D1%83%D0%BA%D0%B5.

2. Фундаментальные взаимодействия // Википедия [Интернет-ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D1%83%D0%BD%D0%B4%D0%B0%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%8B%D0%B5_%D0%B2%D0%B7%D0%B0%D0%B8%D0%BC%D0%BE%D0%B4%D0%B5%D0%B9%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%B8%D1%8F.

3. Классическая теория тяготения Ньютона // Википедия [Интернет-ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BB%D0%B0%D1%81%D1%81%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D1%82%D0%B5%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%8F_%D1%82%D1%8F%D0%B3%D0%BE%D1%82%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F_%D0%9D%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%B0.

4. Теория относительности // Википедия [Интернет-ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%8F_%D0%BE%D1%82%D0%BD%D0%BE%D1%81%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B8.

5. Гравитон // Википедия [Интернет-ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D1%80%D0%B0%D0%B2%D0%B8%D1%82%D0%BE%D0%BD.

6. Гравитация // Википедия [Интернет-ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D1%80%D0%B0%D0%B2%D0%B8%D1%82%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F.

7. Дальнодействие и короткодействие // Википедия [Интернет-ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE%D0%B4%D0%B5%D0%B9%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%B8%D0%B5_%D0%B8_%D0%BA%D0%BE%D1%80%D0%BE%D1%82%D0%BA%D0%BE%D0%B4%D0%B5%D0%B9%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%B8%D0%B5.

8. Закон Кулона // Википедия [Интернет-ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%BD_%D0%9A%D1%83%D0%BB%D0%BE%D0%BD%D0%B0.

9. Френкель, Е.Н. Концепции современного естествознания : физические, химические и биологические концепции : учеб. пособие / Е.Н. Френкель. – Ростов н/Д : Феникс, 2014. – 246 с. – С. 57–58.

10. Магнитный монополь // Википедия [Интернет-ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B8%D1%82%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BC%D0%BE%D0%BD%D0%BE%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D1%8C.

11. Глэшоу, Шелдон Ли // Википедия [Интернет-ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%BB%D1%8D%D1%88%D0%BE%D1%83,_%D0%A8%D0%B5%D0%BB%D0%B4%D0%BE%D0%BD_%D0%9B%D0%B8.

Код для цитирования: Скопировать