Фундаментальные физические взаимодействия

Составные элементарные частицы (p, n и т.д.), атомы, молекулы и т.д. образуются благодаря физическим взаимодействиям. Каждый тип взаимодействия осуществляется с помощью соответствующей частицы-переносчика или посредника. Без такого посредника взаимодействие не протекает.

Механизм физического взаимодействия:

o Частица первого в-ва испускает квант (частицу-переносчик) → её

υ₁ изменяется.

o Квант ударяется о другую частицу вещества и поглощается ею →

υ₂ изменяется.

 

o Между частицами 1 и 2 возникает взаимодействие (как если бы действовала сила) – притяжение или отталкивание.

 

Частицы-переносчики – это бозонные частицы. Их называют виртуальными, т.к. их нельзя зарегистрировать (исключение – фотон).

 

Типы взаимодействий:

Ø Если частица-переносчик имеет массу, то взаимодействие осуществляется только на близком расстоянии. Это может быть:

Сильное взаимодействие (если R_{действия} < 10^-13 см) – связывает кварки в нуклонах; протоны и нейтроны в ядрах атомов.

Переносчик: глюон («клей»).

Слабое взаимодействие (если R_{действия} ~ 10^-15 – 10^-22 см) – обеспечивает превращение или распад частиц - лептонов или кварков (поэтому многие частицы – короткоживущие).

Переносчик – векторный бозон.

Ø Если частица-переносчик взаимодействия не имеет массы, физическое взаимодействие может осуществляться на большом расстоянии. Это

Электромагнитное взаимодействие – взаимодействие электрически заряженных частиц (+ и -); оно в 1000 раз слабее сильного.

Переносчик – фотон.

Гравитационное взаимодействие – оно универсально – действует на любые частицы пропорционально их массе → в микромире роли не играет.

Переносчик – гравитон (несмотря на многочисленные попытки, обнаружить его пока не удается).

Заветная мечта всех физиков – выявить универсальность всех фундаментальных сил, т.е. объединить все физические взаимодействия. Есть попытки создать теорию «Большого объединения» - т.е. теорию, объединяющую сильное, слабое и электромагнитное взаимодействие (теория суперструн).

Значение квантовой теории:

o Стала базой для ядерной физики: без развития квантовой физики было бы невозможно создать ядерные реакторы, осуществить термоядерные реакции (водородная бомба), построить лазеры и полупроводниковые приборы.

o Благодаря квантовой механике удается понять не только процессы, протекающие в микромире, но и природу астрофизических объектов (белых карликов, нейтронных звезд, термоядерных процессов внутри звезд и др.).

o Квантовая механика – теоретическая основа современной химии (квантово-механическая модель атома позволяет объяснить и предсказать все химические процессы).

 

Теория относительности

В конце 19 века (Майкельсон, Морли, 1886) исследовались особенности распространения света. Оказалось, что поведение света противоречит законам классической механики.

Так, в классической механике справедлив закон сложения:

Например, тело А движется со скоростью υ в какой-то системе К΄. Эта система сама движется со скоростью υ΄ относительно другой системы – К. Тогда скорость тела А относительно системы К: υ_А = υ΄ + υ.

Если следовать закону сложения, то скорость распространения света от фар движущегося автомобиля относительно стоящего наблюдателя: υ = υ_света + υ_{автомобиля}.

Однако было установлено, что скорость света всегда одинакова во всех системах координат, независимо от скорости движения излучающего источника (С ≈ 300 000 км/с), и является пределом скорости в природе – т.е. не может быть скорости, превышающей скорость света. С такой скоростью всегда движутся частицы, не имеющие массы покоя (фотоны).

Для объяснения световых явлений необходимо было пересмотреть обычные пространственно-временные представления, основанные на повседневном опыте.

 

Объяснить несоответствие смог А. Эйнштейн в своей теории относительности.

è В основе теории - принцип относительности Галилея:

Во всех инерциальных системах отсчета движение тел происходит по одинаковым законам, т.е. между покоем и движением, если оно равномерно и прямолинейно, нет никакой разницы. Разница только в точке зрения.

Инерциальная система – это система отсчета относительно которой тело при отсутствии внешних воздействий движется равномерно и прямолинейно.

 

ТО состоит из двух частей – СТО и ОТО.

· Специальная теория относительности (создана в 1905 г.)

«Специальная» - т.к. рассматриваются только инерциальные системы, без учета полей тяготения.

Постулаты СТО (постулат – исходное положение, принимаемое без доказательств):

Ø Скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчета, это универсальная физическая константа.

Ø Все з-ны природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета – расширенный принцип относительности.

Из этих постулатов следуют все основные положения СТО:

Основные положения СТО (без формул):

1. Единого потока времени, равноценного всегда и везде, не существует → следовательно, абсолютной одновременности событий в разных системах отсчета (т.е. в разных условиях движения) не может быть → одновременность относительна.

Т.е. события, одновременные в одной системе отсчета, не будут одновременными в другой.

Доказательство – мысленный опыт Эйнштейна:

Для наблюдателя в вагоне свет загоревшейся лампочки достигнет стен вагона А и Б одновременно. Для наблюдателя на платформе свет раньше придет к стене А, т.к. она движется навстречу свету, а потом – к стене Б, т.к. она «убегает» от света.

2. Пространственно-временные свойства тел зависят от скорости их движения: при приближении скорости движения тела к скорости света его пространственные размеры сокращаются, масса увеличивается, а время замедляется – это так называемые релятивистские (от лат. relativus - относительный) явления или эффекты.

Относительные эффекты нельзя заметить, если наблюдатель движется в сопутствующей системе отсчета (т.е. движется параллельно с измеряемой системой), т.к. действует принцип относительности (в инерциальных системах все процессы протекают одинаково).

 

Если же система движется относительно наблюдателя со скоростью, близкой к скорости света - относительные эффекты можно заметить и измерить.

 

Изменение пространства обратимо:

Если длина космического корабля в полете уменьшается в 2 раза с точки зрения наблюдателя на Земле (он отрывается от Земли со скоростью 11,2 км/с – это II космическая скорость), то при возвращении на Землю корабль сбавляет скорость, и его длина становится такой, какой была на Земле.

 

Изменение времени необратимо:

Парадокс близнецов: один из близнецов провел на Земле 50 лет после запуска ракеты, в которой улетел его брат (υ_ракеты ≈ С = 300 000 км/с), за это время брат постарел на 1 год.

Если космонавт в возрасте 25 лет улетел на такой же ракете, оставив на Земле новорожденного сына, то по возвращении отцу будет 26 лет, а сыну – 50 (причина – физиологические процессы идут в соответствии со временем). Т.о. ракета выпадает из хода времени на Земле.

 

Для людей относительные эффекты кажутся чем-то невозможным, однако они подтверждаются экспериментально:

С учетом относительных эффектов построены ускорители элементарных частиц – синхрофазотроны.

Если же скорости тел << C, то для них справедливы законы механики(частный случай Спец.ТО!).

Таким образом, пространство и время взаимосвязаны и представляют собой единый 4-х мерный пространственно-временной континуум.

Положение точки в пространстве можно задать тремя числами – координатами (x, y, z). Нечто произошедшее с ней можно охарактеризовать временем, когда это случилось, т.е. четвертой координатой. Все 4 координаты взаимосвязаны, поэтому изменения пространства вызывают изменение времени (длина < → время замедляется).

Связь пространства и времени становится заметной только при скоростях, близких к скорости света.

 

· Общая теория относительности (ОТО, создана в 1916 г.)

Эйнштейн хотел найти универсальный закон природы, справедливый не только для инерциальных, но и для неинерциальных систем. Так возникла ОТО.

 

Постулаты ОТО:

Ø Эквивалентность инерционной и гравитационной масс: физические процессы в гравитационном поле неотличимы от аналогичных явлений при соответствующем ускорении.

Например:

а) если ракета взлетает с ускорением 2 g (g – ускорение свободного падения), то ее экипаж будет чувствовать себя так, будто он находится в удвоенном поле тяжести Земли;

б) если обрывается канат лифта, и пассажиры находятся в нем в состоянии свободного падения, то они не смогут определить, находится ли лифт в поле тяготения, или же он движется в отсутствие сил тяготения.

 

Ø Принцип общей относительности: все физические законы одинаковы в любых системах отсчета – и в инерциальных, и в неинерциальных.

 

Основные положения ОТО (следствия постулатов):

1. Тяготение – это искривленность пространственно-временного континуума. В присутствии массивных тел искривляется все пространство-время.

Пример, иллюстрирующий это положение:

Если маленький металлический шарик пустить по натянутой резиновой пленке, его траектория будет в виде прямой линии:

 

Если же на тонкую пленку положить груз (пленка прогнется), то шарик будет двигаться по криволинейному пути, и чем > масса груза (а → > глубина прогиба), тем «кривее» будет траектория шарика.

Шарику можно придать такую скорость, что он начнет вращаться вокруг груза, как планета вокруг Солнца на орбите.

В искривленном пространстве-времени не применяется знакомая вам со школы геометрия Евклида (она справедлива только на плоскости).

Например, т.н. «5-й постулат» Евклида: из одной точки на плоскости можно провести только одну прямую, параллельную данной (к-рая не будет пересекаться с ней).

Следствие: сумма углов треугольника = 180˚.

 

Для искривленного пространства-времени применяются Неевклидовы геометрии (Римана и Лобачевского).

Риман: через точку нельзя провести ни одной прямой, параллельной данной (все пересекутся) → сумма углов треугольника > 180˚. Т.е. пространство выпуклое, как поверхность глобуса.

Лобачевский: через точку можно провести множество прямых, которые не пересекутся с данной → сумма углов треугольника < 180˚. Т.е. пространство вогнутое, как тазик.

В искривленном пространстве-времени лучи света и частицы движутся самым коротким путем – по геодезическим линиям (траектории движения планет вокруг Солнца). В земных условиях мы этого не наблюдаем, т.к. в макромире справедлива геометрия Евклида.

Если пространство не прямолинейно, то и свет должен распространяться не прямолинейно.

 

Экспериментальное док-во искривления света в поле тяготения:

 

 

В отсутствие Солнца звезда занимает на небе другое положение, чем в его присутствии (определяется во время полного затмения Солнца).

В поле тяготения не только искривляется пространство, но и замедляется время.

Например, при прохождении радиосигнала вблизи Солнца он замедляется на 0,0002 с. → в очень сильном поле тяготения время может полностью остановиться (самое фантастическое предсказание ОТО).

Примером изменения пространства и времени может служить «черная дыра».

 

Черная дыра – это тело, сжавшееся в комочек под действием собственного тяготения (если Солнце, а его R = 700 000 км, сожмется в шар радиусом 3 км, то получится черная дыра) → черная дыра характеризуется огромной плотностью в-ва.

Вблизи черной дыры необычайно велики силы тяготения, но это еще не все. В сильном поле тяготения меняются геометрические свойства пространства и замедляется течение времени.

Если один наблюдатель падает в поле тяготения черной дыры, то он преодолеет расстояние, например, 1 млн. км, всего за 1 час. Если же это падение будет наблюдать издали другой наблюдатель с часами (космонавт), то оно будет казаться ему очень медленным, и чем ближе к черной дыре будет первый наблюдатель, тем медленнее будет его скорость с точки зрения второго наблюдателя. В этом проявляется замедление времени вблизи черной дыры.

Наблюдатель, упавший в черную дыру, никогда не сможет оттуда выбраться, как бы ни были мощны двигатели его корабля. Он не сможет послать оттуда и никаких сигналов, никаких сообщений. Ведь даже свет - самый быстрый вестник в природе - оттуда не выходит. Для внешнего наблюдателя само падение корабля растягивается по его часам до бесконечности. Значит, то, что будет происходить с падающим наблюдателем и его кораблем внутри черной дыры, протекает уже вне времени внешнего наблюдателя (после его бесконечности по времени). В этом смысле черные дыры представляют собой "дыры во времени Вселенной".

Общий вывод ТО:

Пространство и время не только взаимосвязаны (согласно Спец.ТО), но еще и искривлены (неевклидовы).

ТО подтверждена многочисленными фактами и лежит в основе всех теорий, рассматривающих явления при скоростях, близких к С.

 

Значение ТО:

· Показала единство пространства, времени и материи (т.е. пространственно-временной континуум).

· Позволила непротиворечиво объяснить многие физические явления, которые не укладывались в рамки классических представлений (особенно это касается электромагнитных явлений в движущихся телах).