Глава 5. Физические концепции микромира
5.1. Структурные уровни материи
В общем виде материя представляет собой бесконечное множество всех сосуществующих в мире объектов и систем, совокупность их свойств, связей, отношений и форм движения. При этом она включает в себя не только все непосредственно наблюдаемые объекты и тела природы, но и все те, которые не воспринимаются нашими органами чувств. Окружающий нас мир – это движущаяся материя в бесконечно разнообразных формах и проявлениях со своими свойствами, связями и отношениями. В этом мире все объекты обладают внутренней упорядоченностью и системной организацией. Упорядоченность проявляется в закономерном движении и взаимодействии элементов материи, благодаря чему они объединяются в системы. Таким образом, мир предстает как иерархически организованная совокупность систем, где любой объект одновременно является самостоятельной системой и элементом другой, более сложной системы.
Согласно современной естественно-научной картине мира, все природные объекты также представляют собой упорядоченные, структурированные, иерархически организованные системы. На основании системного подхода к природе материя делится на два больших класса материальных систем: неживую и живую природу. В системе неживой природы структурными элементами являются элементарные частицы, атомы, молекулы, поля, макроскопические тела, планеты и планетные системы, звезды и звездные системы, галактики, метагалактики и Вселенная в целом. Соответственно в живой природе основными элементами выступают белки и нуклеиновые кислоты, клетка и одноклеточные организмы, многоклеточные организмы, популяции, биоценоз, живое вещество планеты.
В то же время неживая и живая сферы материи включают в себя ряд взаимосвязанных структурных уровней. Структура – совокупность связей между элементами систем. Поэтому любая система состоит не только из подсистем и элементов, но и из разнообразных связей между ними. Внутри этих уровней главными являются горизонтальные (координационные) связи, а между уровнями – вертикальные (субординационные). Совокупность горизонтальных и вертикальных связей позволяет создать иерархическую структуру Вселенной, в которой основным квалификационным признаком является размер объекта и его масса, а также их соотношение с физическими параметрами человека. На основе этого критерия выделяют следующие уровни материи: микромир, макромир и мегамир.
Микромир – область предельно малых, непосредственно не наблюдаемых материальных микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется в диапазоне от 10–8 до 10–16 см, а время жизни – от бесконечности до 10–24 сек. Сюда относятся поля, элементарные частицы, ядра, атомы и молекулы.
Макромир – мир материальных объектов, соизмеримых по своим масштабам с человеком и его физическими параметрами. В этом мире пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах, метрах и километрах, а время – в секундах, минутах, часах, днях и годах. В практической действительности макромир представлен макромолекулами, веществами в различных агрегатных состояниях, живыми организмами, человеком и продуктами его деятельности, т. е. макротелами.
Мегамир – сфера огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в которой измеряется астрономическими единицами, световыми годами и парсеками, а время существования космических объектов – миллионами и миллиардами лет. К этой сфере материи относятся наиболее крупные материальные объекты: звезды, галактики и их скопления.
Структура мегамира. Основными структурными элементами мега-мира являются планеты и планетные системы; звезды и звездные системы, образующие галактики; системы галактик, образующие метагалактики.
Планеты – несамосветящиеся небесные тела, по форме близкие к шару, вращающиеся вокруг звезд и отражающие их свет. В силу близости к Земле наиболее изученными являются планеты Солнечной системы, двигающиеся вокруг нее по эллиптическим орбитам. К этой группе планет относится и наша Земля, расположенная от Солнца на расстоянии 150 млн км.
Звезды – светящиеся (газовые) космические объекты, образующиеся из газово-пылевой среды (преимущественно водорода и гелия) в результате гравитационной конденсации. Звезды удалены друг от друга на огромные расстояния и тем самым изолированы друг от друга. Это означает, что звезды практически не сталкиваются, хотя движение каждой из них определяется силой тяготения, создаваемой всеми звездами Галактики. Число звезд в Галактике – порядка триллиона. Самые многочисленные из них – карлики, массы которых примерно в 10 раз меньше массы Солнца. В зависимости от массы звезды в процессе эволюции становятся либо «белыми карликами», либо нейтронными звездами, либо «черными дырами».
«Белый карлик – электронная постзвезда, образующаяся в том случае, когда звезда на последнем этапе своей эволюции имеет массу, меньшую 1,2 солнечной массы. Диаметр «белого карлика» равен диаметру нашей Земли, температура достигает около миллиарда градусов, а плотность – 10 т/см3, т. е. в сотни раз больше земной плотности.
Нейтронные звезды возникают на заключительной стадии эволюции звезд, обладающих массой от 1,2 до 2 солнечных масс. Высокие температура и давление в них создают условия для образования большого количества нейтронов. В этом случае происходит очень быстрое сжатие звезды, в ходе которого в ее наружных слоях начинается бурное развитие ядерных реакций. При этом выделяется так много энергии, что происходит взрыв с разбросом наружного слоя звезды, внутренние области звезды стремительно сжимаются. Остающийся объект называется нейтронной звездой, поскольку состоит из протонов и нейтронов (они еще имеют название «пульсары»).
«Черные дыры» – звезды, находящиеся на заключительном этапе своего развития, масса которых превышает 2 солнечные массы, имеющие диаметр от 10 до 20 км. Теоретические расчеты показали, что они обладают гигантской массой (1015 г) с аномально сильным гравитационным полем. «Черные дыры» получили такое название потому, что не обладают свечением, а за счет своего гравитационного поля захватывают из пространства все космические тела и излучения, которые не могут выйти обратно, «проваливаются» в них как в дыру. Из-за сильной гравитации никакое захваченное материальное тело не может выйти за пределы гравитационного радиуса объекта, и поэтому они кажутся наблюдателю «черными».
Звездные системы (звездные скопления) – группы звезд, связанные между собой силами тяготения, имеющие совместное происхождение, сходный химический состав и включающие в себя до сотен тысяч отдельных звезд. Существуют рассеянные звездные системы, например Плеяды в созвездии Тельца. Такие системы не имеют правильной формы. Известно более тысячи звездных систем. Кроме того, к звездным системам относятся шаровые звездные скопления, насчитывающие в своем составе сотни тысяч звезд. Силы тяготения удерживают звезды в таких скоплениях миллиарды лет. Ученым известно около 150 шаровых скоплений.
Галактики – совокупности звездных скоплений. Понятие «галактика» в современной интерпретации означает огромные звездные системы. Этот термин произошел от греческого слова «молоко, молочный» и был введен в обиход для обозначения нашей звездной системы, представляющей собой тянущуюся через все небо светлую полосу с молочным оттенком и поэтому названную «Млечный Путь».
Условно по внешнему виду галактики можно разделить на три вида. К первому (около 80 %) относятся спиральные галактики. У этого вида отчетливо наблюдаются ядро и спиральные «рукава». Второй вид (около 17 %) включает эллиптические галактики, т. е. такие, которые имеют форму эллипса. К третьему виду (примерно 3 %) относятся галактики неправильной формы, которые не имеют отчетливо выраженного ядра. Кроме того, галактики различаются размерами, числом входящих в них звезд и светимостью. Все галактики находятся в состоянии движения, причем расстояние между ними постоянно увеличивается, т. е. происходит взаимное удаление (разбегание) галактик друг от друга.
Наша Солнечная система принадлежит к Галактике Млечного Пути, включающей в себя не менее 100 млрд звезд, и поэтому относится к разряду гигантских галактик. Она имеет сплюснутую форму, в центре которой находится ядро с отходящими от него спиральными «рукавами». Диаметр нашей Галактики около 100 тыс. световых лет, толщина – 10 тыс. световых лет. Соседней с нами является галактика Туманность Андромеды.
Метагалактика – система галактик, включающая в себя все известные космические объекты.
Поскольку мегамир имеет дело с большими расстояниями, для измерения этих расстояний разработаны следующие специальные единицы.
1. Световой год – расстояние, которое проходит луч света в течение одного года со скоростью 300 000 км/сек, т. е. оно составляет 10 трлн км.
2. Астрономическая единица (а.е.) – это среднее расстояние от Земли до Солнца, равна 8,3 световым минутам. Это значит, что солнечные лучи, оторвавшись от Солнца, достигают Земли через 8,3 мин.
3. Парсек (пк) – единица измерения космических расстояний внутри звездных систем и между ними. 1пк равен 206 265 а.е., т. е. приблизительно 30 трлн км, или 3,3 световым годам.
Структура макромира. Каждый структурный уровень материи в своем развитии подчиняется специфическим законам, но при этом между этими уровнями нет строгих и жестких границ, все они теснейшим образом связаны между собой. Границы микро- и макромира подвижны, не существует отдельного микромира и отдельного макромира. Естественно, что макрообъекты и мегаобъекты построены из микро-объектов. Тем не менее выделим важнейшие объекты макромира.
Центральным понятием макромира является понятие вещества, которое в классической физике, являющейся физикой макромира, отделяют от поля. Под веществом понимают вид материи, обладающий массой покоя. Оно существует для нас в виде физических тел, которые обладают некоторыми общими параметрами – удельной массой, температурой, теплоемкостью, механической прочностью или упругостью, теплопроводностью, электропроводностью, магнитными свойствами и т. п. Все эти параметры могут изменяться в широких пределах как от одного вещества к другому, так и для одного и того же вещества в зависимости от внешних условий.
Структура микромира. На рубеже XIX–XX вв. в естественнонаучной картине мира произошли радикальные изменения, вызванные новейшими научными открытиями в области физики и затронувшие ее основополагающие идеи. В результате научных открытий были опровергнуты традиционные представления классической физики об атомной структуре вещества. Открытие электрона означало утрату атомом статуса структурно неделимого элемента материи и тем самым – коренную трансформацию классических представлений об объективной реальности. Новые открытия позволили, во-первых, выявить существование в объективной реальности не только макро-, но и микромира; во-вторых, подтвердить представление об относительности истины, являющейся только ступенькой на пути познания все более фундаментальных свойств природы; в-третьих, доказать, что материя состоит не из «неделимого первоэлемента» (атома), а из бесконечного многообразия явлений, видов и форм материи и их взаимосвязей.
Переход естественно-научных знаний с атомного уровня на уровень элементарных частиц привел ученых к заключению, что понятия и принципы классической физики оказываются неприменимыми к исследованию физических свойств мельчайших частиц материи (микрообъектов) – таких как электроны, протоны, нейтроны, атомы, которые образуют невидимый нами микромир. В силу особых физических показателей свойства объектов этого мира совершенно не похожи на свойства объектов привычного нам макромира и далекого мегамира. Отсюда возникла необходимость отказа от представлений, которые навязаны предметами и явлениями макромира. Поиски новых способов описания микрообъектов содействовали созданию концепции элементарных частиц.
Согласно этой концепции, основными элементами структуры микромира выступают микрочастицы материи, которые не являются ни атомами, ни атомными ядрами, не содержат в себе каких-либо других элементов и обладают наиболее простыми свойствами. Такие частицы были названы элементарными, т. е. самыми простыми, не имеющими в себе никаких составных частей.
После того как было установлено, что атом является не последним «кирпичиком» мироздания, а построен из более простых элементарных частиц, поиск таких фундаментальных частиц занял главное место в исследованиях физиков. История их открытия началась в конце XIX в., когда в 1897 г. английский физик Д. Томсон открыл первую элементарную частицу – электрон. История открытия всех известных сегодня элементарных частиц прошла в два этапа.
Первый этап приходится на 1930–1950-е гг. К началу 1930-х гг. были открыты протон и фотон, в 1932 г. – нейтрон, спустя четыре года – первая античастица: позитрон, которая по массе равна электрону, но имеет положительный заряд. К концу этого периода стало известно о 32 элементарных частицах, причем каждая новая частица была связана с открытием принципиально нового круга физических явлений.
Второй этап приходится на 1960-е гг., кода общее число известных частиц превысило 200. На этом этапе основным средством открытия и исследования элементарных частиц стали ускорители заряженных частиц. В 1970–1980-е гг. поток открытий новых элементарных частиц усилился, и ученые заговорили о семействах элементарных частиц. На данный момент науке известно более 350 элементарных частиц, различающихся массой, зарядом, спином, временем жизни и рядом других физических характеристик.
Все элементарные частицы обладают общими свойствами. Одно из них – свойство корпускулярно-волнового дуализма, т. е. наличие у всех микрообъектов как свойств волны, так и свойств вещества.
Другим общим свойством является наличие почти у всех частиц (кроме фотона и двух мезонов) своих античастиц. Античастицы – элементарные частицы, схожие с частицами по всем признакам, но отличающиеся противоположными знаками электрического заряда и магнитного момента. После открытия большого числа античастиц ученые заговорили о возможности существования антивещества и даже антимира. При соприкосновении вещества с антивеществом происходит процесс аннигиляции – превращение частиц и античастиц в фотоны и мезоны больших энергий (вещество превращается в излучение).
Еще одним важным свойством элементарных частиц является их универсальная взаимопревращаемость. Этого свойства нет ни в макро-, ни в мегамире.
5.2. Классификация элементарных частиц
Элементарные частицы являются основными «кирпичиками», из которых состоят как материя, так и поле. При этом все они неоднородны: одни являются составными (протон, нейтрон), другие – несоставными (электрон, нейтрино, фотон). Частицы, которые не являются составными, называются фундаментальными.
В целом элементарные частицы обладают довольно большим количеством характеристик. На основании некоторых из них ученые произвели их классификацию.
Одной из важных характеристик частиц является их масса. Масса элементарной частицы – это масса ее покоя, которая определяется по отношению к массе покоя электрона, который, в свою очередь, считается самой легкой из всех частиц, имеющих массу. В зависимости от массы покоя все частицы можно разделить на несколько групп:
• частицы, не имеющие массы покоя, – фотоны, движущиеся со скоростью света;
• лептоны (от «лептос» – легкий) – легкие частицы (их масса примерно в 207 раз больше массы электрона); к ним относятся электрон и нейтрино;
• мезоны (от «мезос» – средний, промежуточный) – средние частицы с массой от 1 до 1000 масс электрона; в эту группу входят восемь частиц, имеющих положительные, отрицательные и нейтральные заряды;
• барионы (от «барос» – тяжелый) – тяжелые частицы с массой более 1000 масс электрона; к ним относятся протоны, нейтроны, гипероны, многие резонансы.
Второй характеристикой элементарных частиц является электрический заряд. Он всегда кратен фундаментальной единице заряда – заряду электрона (–1), который рассматривается в качестве единицы отсчета зарядов. Заряд частиц может быть отрицательным, положительным либо нулевым. Как предполагают ученые, существуют также частицы с дробным электрическим зарядом – кварки, экспериментальное наблюдение которых пока невозможно.
Третьей характеристикой элементарных частиц служит тип физического взаимодействия, в котором участвуют элементарные частицы. По данному показателю все их многообразие можно разделить на три группы:
• адроны (от «адрос» – крупный, сильный), участвующие в электромагнитном, сильном и слабом взаимодействии;
• лептоны, участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействии;
• частицы – переносчики взаимодействий, непосредственно обеспечивающие взаимодействие: фотоны – переносчики электромагнитного взаимодействия, глюоны – переносчики сильного взаимодействия, тяжелые векторные бозоны – переносчики слабого взаимодействия (высказывается предположение о существовании гравитонов – частиц, обеспечивающих гравитационное взаимодействие).
Четвертой основной характеристикой элементарных частиц является время их жизни: частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные. Большинство элементарных частиц нестабильно, время их жизни – 10–10–10–24 сек, т. е. несколько микросекунд. Стабильные частицы не распадаются длительное время. Они могут существовать от бесконечности до 10–10 сек. Стабильными частицами считаются фотон, нейтрино, нейтрон, протон и электрон. Квазистабильные частицы распадаются в результате электромагнитного и слабого взаимодействия, иначе их называют резонансами. Время их жизни составляет от 10–24 до 10–26 сек.
Важнейшей характеристикой частиц является спин – собственный момент количества движения (импульса) частицы. В классической механике такая величина характеризует вращение тела (например, волчка). Но буквальный перенос этого понятия на микрочастицы теряет смысл, поскольку элементарные частицы невозможно представить вращающимися крохотными шариками. В физике спин интерпретируется как внутренняя степень свободы частицы, обеспечивающая ей дополнительное физическое состояние. В отличие от классического момента количества движения, который может принимать любые значения, спин принимает только пять возможных значений. Он может равняться целому (0, 1, 2) или полуцелому (1/2, 3/2) числу Свойства и поведение частиц существенно зависят от того, целое или полуцелое значение имеет их спин. Частицы с полуцелым спином называются фермионами, а с целым спином – бозонами.
Фермионы – не что иное, как частицы вещества, которые хотя и обладают волновыми свойствами, но в классическом пределе воспринимаются как истинные частицы. К ним относятся такие известные частицы, как электроны, протоны, нейтроны, спин которых равен 1/2. Известна частица, спин которой равен 3/2 – омега-гиперон. Все эти частицы обладают свойством, имеющим характер закона: частицы с полуцелым спином могут находиться вместе лишь при условии, что их физические состояния, т. е. совокупность характеризующих частицу параметров, не одинаковы. Этот закон в квантовой механике называется запретом Паули. Если бы этого запрета не существовало, то еще в первые мгновения существования нашей Вселенной образовавшиеся частицы вещества «слиплись» бы и превратились в более или менее однородное «желе», не позволив образоваться современной структурной Вселенной.
Бозоны – кванты полей, которые хотя и обладают корпускулярными свойствами, но в классическом пределе выступают как поля. На них запрет Паули не распространяется. Примером бозонов служат фотоны, спин которых равен 1, и мезоны, спин которых равен 0. Возможно, существуют частицы со спином 2 – гравитоны. Все они – переносчики физических взаимодействий.
5.3. Теория кварков
В середине 1960-х гг. число открытых адронов превысило сотню. В связи с этим возникла гипотеза, согласно которой наблюдаемые частицы не отражают предельный уровень деления материи. На основе этой гипотезы была создана теория кварков, согласно которой все элементарные частицы состоят из шести фундаментальных частиц – кварков. Авторами гипотезы кварков стали физики Калифорнийского университета М. Гелл-Манн и Д. Цвейг. Термин «кварк» они позаимствовали из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», герою которого снился сон, в котором летали чайки и кричали: «Три кварка для мистера Марка!» Слово «кварк» в переводе с немецкого означает «чепуха», но авторы теории понимали его как гипотетический материальный объект, существование которого еще не доказано наукой. Имея форму гипотезы, кварковая теория тем не менее позволила систематизировать известные частицы и предсказать существование новых.
Основные положения теории кварков заключаются в следующем. Адроны состоят из более мелких частиц – кварков, которые представляют собой истинно элементарные частицы и поэтому бесструктурны. Главная особенность кварков – их дробный электрический заряд. Кварки могут соединяться друг с другом двумя способами – парами и тройками. Соединение трех кварков образует барионы (среди которых всем известные протоны и нейтроны). Соединение кварка и анти-кварка – мезоны, соединение трех антикварков – антибарионы. Большинство образующихся частиц являются барионными и мезонными резонансами. При таком соединении дробные заряды суммируются до нуля или единицы.
Кварки различаются ароматом и цветом. Аромат кварка не имеет никакого отношения к аромату, понимаемому буквально (аромат цветов, духов и т. п.), это его особая физическая характеристика. Существует шесть видов кварков, различающихся ароматом: u (up — верхний), d (down – нижний), s (strange — странный), c (charm — очарование), b (beauty — прелесть), t (top — высший). Их обозначают первыми буквами своих названий.
Кроме того, считается, что каждый кварк имеет один их трех возможных цветов, которые выбраны учеными произвольно: красный, зеленый, синий. Цвет кварка не имеет никакого отношения к обычному оптическому цвету в макромире. Цвет кварка, как и аромат, – условное название для определенной физической характеристики этих частиц. Цвет кварка практически означает разновидность «заряда» сильного ядерного взаимодействия. «Заряд» сильного взаимодействия в физике именуется «цветом». Каждый кварк может быть носителем одного из трех основных «зарядов» или цветов – синего, зеленого, красного. Иначе говоря, каждый кварк способен иметь «заряд» красного, синего или зеленого цвета. Понятие цвета было введено, чтобы не отказываться от запрета Паули, так как в барионных и антибарионных частицах кварки одного аромата часто оказывались вместе. Например, протон образуется комбинацией кварков uud, а нейтрон – udd.
Каждому кварку соответствует антикварк с противоположным цветом (антикрасный, антизеленый и антисиний). Таким образом, шесть кварков и шесть антикварков – 12 фундаментальных частиц – призваны объяснить почти все многообразие частиц, кроме лептонов.
При объединении кварков и антикварков выполняются два условия.
1. Суммарный электрический заряд кварков в адроне должен быть целочисленным, скомпенсированным до нуля или единицы.
2. Кварки, соединяющиеся в адрон, полностью компенсируют свои цветовые заряды и соответствуют признаку бесцветности (конфайнмент). Их цвета («заряды») соединяются также, как в оптике, где сложение красного, синего и зеленого приводит к белому (бесцветному) цвету. Белый цвет дает сложение красного и антикрасного, синего и антисинего и т. п.
Кварки объединяются между собой благодаря сильному взаимодействию. Переносчиками сильного взаимодействия выступают глюоны, которые «склеивают» кварки между собой. Предполагается, что кварки участвуют также в электромагнитных и слабых взаимодействиях. В электромагнитном взаимодействии кварки не меняют цвет и аромат. В слабых взаимодействиях меняют аромат, но сохраняют цвет.
Долгое время ученые пытались обнаружить кварки в многочисленных экспериментах, доводя точность измерений в них до очень высоких значений, но сделать этого не удалось. Пришлось признать, что законы природы «запрещают» существование отдельных частиц с дробным электрическим зарядом. Однако в 1969 г. в Стэнфордском университете США были проведены опыты, доказавшие существование кварков. В ходе экспериментов при бомбардировке электронами протонов было обнаружено, что электроны «налетали» на твердые крохотные вкрапления и «отскакивали» от них под самыми невероятными углами. Ученые предположили, что эти твердые вкрапления и были кварками. В настоящее время теория кварков продолжает развиваться и уточняться, поэтому ее нельзя считать окончательно сформированной.
5.4. Физическое взаимодействие и его типы
Связь, взаимодействие и движение представляют собой важнейшие атрибуты материи, без которых невозможно ее существование. Долгое время в научной картине мира ведущая роль отводилась движению. Оно считалось ключевой характеристикой материи. В широком смысле движение трактовалось как любое изменение, происходящее в природе. Но в физике движение понималось как механическое перемещение, изменение положения тела в пространстве с течением времени относительно выбранной точки отсчета. При этом признавалось, что в мире существуют и другие формы движения: биологическая, социальная, химическая, геологическая и др.
Несмотря на качественное разнообразие, у всех форм движения есть одна общая черта: они сводятся к взаимодействию тел, которое обусловливает соединение различных материальных элементов в системы, их структурные связи и контакты с другими материальными системами. Взаимодействие – универсальная форма движения и развития, оно определяет существование и структурную организацию любой материальной системы. Таким образом, все свойства тел производны от взаимодействий. Для всякого объекта существовать – значит взаимодействовать, т. е. каким-либо образом проявлять себя по отношению к другим телам, находиться с ними в объективных отношениях.
Взаимодействие представляет собой развертывающийся во времени и пространстве процесс воздействия одних объектов на другие путем обмена материей и движением. Взаимодействие всегда выступает как движение материи, а любое движение включает в себя различные виды взаимодействия. По существу, эти понятия совпадают, хотя часто употребляются в разных контекстах. Когда мы говорим о движении, то имеем в виду не столько внутренние изменения, основанные на структурных взаимодействиях элементов системы, сколько внешнее пространственное перемещение тел, где взаимодействия как будто не видно. Но если взглянуть глубже, то и при пространственном перемещении тел обязательно есть их взаимодействие с окружающей средой и материальными полями, в результате чего изменяются свойства тел. Не существует такого движения, в котором не было бы взаимодействия элементов материи. В то же время всякое взаимодействие выступает как определенное изменение и движение.
Общая характеристика физического взаимодействия. Описание процесса взаимодействия, раскрытие его механизма и форм проявления составляют одну из центральных задач всей физики. В контексте этой задачи в науке сформировались два различных способа описания механизма физического взаимодействия, основывающихся на принципах дальнодействия и близкодействия.
Исторически первым был сформулирован принцип дальнодействия. Как было отмечено ранее, его автором стал И. Ньютон, который с помощью данного принципа пытался объяснить механизм действия гравитационных сил. Согласно принципу дальнодействия, взаимодействие между телами происходит мгновенно на любом расстоянии, без каких-либо материальных носителей и посредников (агентов взаимодействия).
В XIX веке был сформулирован принцип близкодействия, который в настоящее время существует в двух вариантах. Первый вариант был предложен М. Фарадеем, который считал, что взаимодействие между телами переносится полем, от точки к точке, с конечной скоростью. В XX веке принцип близкодействия был уточнен: в его современном варианте утверждается, что каждое фундаментальное физическое взаимодействие переносится соответствующим полем, от точки к точке, со скоростью, не превышающей скорость света в вакууме.
Обычно при физическом взаимодействии между двумя телами происходит частичный обмен импульсом и энергией. Если рассмотреть этот процесс более детально, мы увидим, что в один момент времени первый объект потерял доли импульса и энергии, а второй объект в следующий момент времени их приобрел. В промежутке между первым и вторым моментом времени импульс и энергия должны принадлежать какому-то третьему материальному объекту – посреднику, который должен переместиться от первого объекта ко второму, затратив на это какое-то время.
На небольших расстояниях этим дополнительным временем можно пренебречь. Так, когда мы нажимаем кнопку выключателя, свет для нас загорается практически мгновенно. Но, чтобы свет дошел от Солнца до Земли, требуется уже около 8 мин, т. е. время для переноса взаимодействия становится заметным.
Таким образом, с точки зрения современной науки физическое взаимодействие всегда подчиняется принципу близкодействия, идет с некоторым запаздыванием. Но во многих задачах, описывающих механические процессы с медленно движущимися объектами, этим запаздыванием можно пренебречь и приближенно считать его нулевым. Следовательно, многие процессы можно описывать, используя приближенный принцип дальнодействия.
В XX веке физика смогла еще глубже проникнуть в тайны физического взаимодействия, понять его механизм на уровне процессов, происходящих в микромире. Также удалось свести многочисленные виды взаимодействий, известных в физике, к небольшому числу фундаментальных физических взаимодействий. Любые формы движения, изучаемые физикой, есть проявление глубинных свойств материи – так называемых фундаментальных физических взаимодействий. Это силы гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий.
В основе каждого фундаментального физического взаимодействия лежит изначально присущее веществу особое свойство, природу которого удастся выяснить лишь в ходе дальнейших, более глубоких исследований природы вещества и вакуума. В качестве носителя способности частиц к взаимодействию, а также количественной мерой самого взаимодействия служит заряд. Каждая частица изначально обладает одним или несколькими зарядами, причем между собой взаимодействуют только однотипные заряды, а заряды разных типов друг друга «не замечают». Наименьшее дискретное значение заряда – квант – называют единичным зарядом. Сила взаимодействия во всех случаях пропорциональна произведению зарядов двух взаимодействующих частиц, более сложно она зависит от расстояния между частицами.
Конец ознакомительного фрагмента.