Механизм фундаментальных взаимодействий
ВВЕДЕНИЕ
По современным представлениям все процессы, явления, закономерности, протекающие и существующие в природе, основываются на четырёх фундаментальных взаимодействиях.
1. Гравитационное взаимодействие осуществляется между материальными телами в соответствии с законом тяготения:
где F – сила тяготения,
а r – расстояние между телами m1 и m2,
G – гравитационная постоянная.
Закон всемирного тяготения не раскрывает самого механизма взаимодействия между телами, а устанавливает зависимость силы тяготения от масс материальных тел и расстояния между ними Многие. физики считают, что гравитационное взаимодействие материальных тел осуществляется посредством полей тяготения, которые они возбуждают в окружающем их пространстве. Поле тяготения это силовое поле, основное свойство которого состоит в том, на точку с единичной массой (m) действует сила притяжения F пропорциональная m.
где вектор напряженности поля тяготения:
Вектор напряженности представляет собой силовую характеристику гравитационного поля. Он изменяется при переходе от одной точки к другой. Гравитационное поле – центральное сферически симметричное поле, так как все векторы напряженности во всех его точках направлены вдоль прямых, пересекающих в одной точке (центр сил), а численные значения векторов определяются только расстоянием до центра сил. При гравитационном взаимодействии материальных тел, их поля тяготения накладываются друг на друга и напряженность их результирующего поля определяется, как векторная сумма напряженностей всех полей (принцип суперпозиции). Переносчики гравитационного взаимодействия экспериментально до сих пор не установлены.
Электромагнитное взаимодействие обусловлено наличием в природе положительных и отрицательных зарядов. Взаимодействие этих зарядов порождает электромагнитные силы, которые определяются с помощью закона Кулона:
где k – к оэффициент пропорциональности;
q1, q2 – электрические заряды;
r – расстояние между ними.
Если заряды одноименны, то при их взаимодействии возникают отталкивающие силы, а если разноименные, то действуют силы притяжения.
Любой электрический заряд окружен электрическим полем, силовой количественной характеристикой которого является векторная величина напряженность электрического поля – Е
E=F/q
где F – сила, действующая на заряд
q – пробный положительный заряд
Напряженность электрического поля характеризуется силовыми линиями, которые начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных.
Кроме векторной характеристики электрического поля, существует и его скалярная величина потенциал – φ :
где П – потенциальная энергия положительного прообного заряда
q – пробный положительный заряд.
Каждой точке электрического поля соответствует свой потенциал. Изменение потенциала поля называется разностью потенциалов или напряжением:
φ 1 – φ 2 – разность потенциалов;
U – напряжение.
Упорядоченное движение электрических зарядов называется электрическим током. В электрическом поле оно происходит под действием кулоновских сил, но может происходить и под действием неэлектрических сил, которые называются сторонними силами. Движущиеся электрические заряды по характеру взаимодействия резко отличаются от взаимодействий неподвижных зарядов. Если неподвижные электрические заряды окружены электростатическими электрическими полями, где действуют кулоновские силы, то вокруг подвижных электрических зарядов наряду с электрическими формируются магнитные поля и при их взаимодействии проявляются дополнительные магнитные силы. Перекносчиками электромагнитных взаимодействий являются фотоны.
3. Сильное взаимодействие проявляется только у адронов (мезонов и барионов). Его частным случаем является ядерное взаимодействие. Ядерные силы – короткодйствующие силы. Радиус их дйствия r ~ (1—2) 10 – 15 м. Это очень интенсивные силы, поэтому ядерное взаимодействие называется сильным. Каждый нуклонядра взаимодействует не со всеми нуклонами, а только с соседними.
Ядерное взаимодействие зависит от ориентации спина нуклонов. Протон и нейтрон могут образовать ядро (дейтрон) только в случае, если их спины параллельны, при антипараллельном спине интенсивность ядерных сил уже недостаточна.
В процессе ядерного взаимодействия протон и нейтрон могут обмениваться электрическими зарядами. В результате чего протон превращается в нейтрон, а нейтрон, наоборот, в протон. Этот процесс происходит с помощью мезонов, которые являются квантами ядерного взаимодействия, при этом один нуклон испускает мезон, а другой его поглощает.
Нуклоны не являются точечными объектами, а состоят из кварков. В настоящее время установлено шесть разновидностей кварков – u,d,s,c,b,t и соответствующих им шесть антикварков. Они имеют дробный электрический заряд в следующей последовательности. Кварки – u, c, t имеют заряд, равный /3 заряда электрона, кварков – d, s, b заряд составляет – 1/3 от заряда электрона. Протон состоит из трех кварков u, u, d, а нейтрон из u, d, d – кварков. Взаимодействуют между собой кварки путем обмена бозонами (глюонами). Глюоны безмассовые частицы. Они находятся внутри адронов и в свободном состоянии не существуют.
4. Слабое взаимодействие наиболее слабое из всех фундаментальных взаимодействий. Оно сосредоточено внутри ядра и связано с Играет важную роль в термоядерных реакциях и в процессах превращения элементарных частиц. Описывает процессы в ядерной физике и физике элементарных частиц. Характерным временем для слабого взаимодействия считается время протекания 10 – 12 с, что в значительно меньше соответственно сильного 10 – 23 с и электромагнитного 10 – 20 с В нем участвуют кварки и лептоны, включая нейтрино.
Как и ядерные силы, силы слабого взаимодействия являются короткодействующими. Радиус их действия rсл = r10—18 м. Это в 600 раз меньше радиуса действия ядерных сил.
Слабое взаимодействие считается распадным взаимодействием По этому взаимодействию происходит β-распад нейтрона.
n → p + e- + v
где n – нейтрон,
p – протон,
e – электрон,
v – электронное антинейтрино
При β-распаде общая масса продуктов распада меньше массы (энергии покоя) исходной частицы. Избыток энергии покоя (энергия связи) освобождается в форме кинетической энергии продуктов распада. Спектр β-распада непрерывен из-за испускания при этом распаде нейтральных частиц с нулевой массой нейтрино и антинейтрино. В результате распада нейтрона один из его кварков d – кварк превращается в u – кварк.
Переносчиками слабого взаимодействия являются +W, -W, 0Z – бозоны, с массами соответственно 80 mp и 90 mp протонов.
Литературный обзор сведений о фундаментальных взаимодействиях свидетельствует о том, что основные свойства природы обусловлены этими взаимодействиями. Каждый из четырех фундаментальных взаимодействий имеет свою физическую область применения, где соответствующие им элементарные частицы переносят взаимодействие от одной элементарной частицы к другой. Помимо качественных различий фундаментальные взаимодействия различаются и в количественном отношении по силе воздействия (интенсивности), которая возрастает от гравитационного до сильного взаимодействия. В настоящее время всё больше и больше приобретает значение идея объединение всех четырёх фундаментальных взаимодействий в единое фундаментальное взаимодействие. Уже успешно решается задача создания объединенной теории слабого и электромагнитного взаимодействия. Кроме того, и дет работа по развитию единой теории слабого, электромагнитного и сильного взаимодействия (теории Великого Объединения). Предпринимаются попытки найти принципы объединения всех фундаментальных взаимодействий в одно единое объединение.
В тоже время следует отметить, что на этом пути много неясностей и противоречий. Главным здесь, по мнению автора, является вопрос о механизме взаимодействия частиц между собой. Так, в гравитационном взаимодействии до сих пор нет однозначного ответа на механизм силового взаимодействия материальных тел. Нет экспериментальных данных о частицах переносчиках этих взаимодействий, хотя высказываются предположения, что ими могут быть гипотетические частицы – волны гравитоны. Слабое взаимодействие содержит больше вопросов, чем ответов. Оно позволяет лептонам и кваркам путем обмена квантовыми числами, энергией, массой превращаться в античастицы. Его переносчиками являются W+, W — и 0Z —бозоны. По слабому взаимодействию с помощью тяжелого W+ бозона происходит распад нейтрона на протон, электрон и электронное нейтрино. При этом кварк d переходит в кварк u и появляется бозон W — с отрицательным зарядом, но кварк d тяжелее кварка u на 3,5 эВ, при этом меняется заряд с —1/3 на /3 эВ. Затем, виртуальный W – бозон распадается на реальные элементарные частицы – электрон и электронное нейтрино. В электромагнитном взаимодействии участвуют заряженные тела и элементарные частицы. Переносчиками этого взаимодействия являются фотоны, при этом одна заряженная частица испускает фотон, а другая его поглощает. Например, считается, что связь электронов с протонами в ядрах обеспечивается путем обмена между ними виртуальными фотонами, но как это происходит большой вопрос. Сильное взаимодействие обеспечивает устойчивую связь между нуклонами атомных ядер. Его принято рассматривать в двух форма, когда радиус взаимодействия (r) меньше радиуса нуклона (rn), и когда r rn. В первом случае происходит обмен пионом (квантом ядерного поля) между нуклонами, а во втором обмен глюонами между кварками, входящими в состав нуклонов. В обоих случаях за счет испускания и поглощения нуклоны взаимно влияют друг на друга. Но такое объяснение механизма сильного взаимодействия, ставит много вопросов ни на что не отвечая. Например, взаимное влияние элементарных частиц (протонов и нейтронов) путем обмена напрямую виртуальными частицами (пионами, глюонами) нарушает закон сохранения энергии и каков механизм этого обмена, если кварки не могут вылетать из нуклонов ни в каких реакциях.
В целях, получения глубокого физического осмысления вопроса механизма фундаментальных взаимодействий была смоделирована система взаимодействия материи и пространства, базирующаяся на следующих принципах.
ПРИНЦИПЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ
Изложены в статье «Образование химических элементов в недрах звезд-результат взаимодействия материи и пространства.
РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ
В рамках этой системы механизмы фундаментальных взаимодействий представляются следующим образом
1. Механизм гравитационного взаимодействия материальных тел удаленных на значительное расстояние друг от друга.
Согласно базовым принципам смоделированной системы гравитоны, составляющие материальное тело, деформируют (сжимают) силовые линии окружающего тело пространства, при этом степень сжатия (U) и дальность распространения (Rэф.) этого сжатия определяется массой материального тела (M).
где M – масса тела в г.,
N – количество силовых линий у поверхности в окружающем тело пространстве,
g – масса гравитона
R=U/r2
где U – степень сжатия силовых линий пространства у поверхности тел
Рассмотрим этот механизм на взаимодействии Земли и Солнца. Масса Солнца составляет х 1030 кг, а масса Земли – 6 х 1024 кг. Расстояние между ними составляет 1,6 х 108 км.
Масса Солнца в 330 тысяч раз больше массы Земли. Эффективная степень сжатия силовых линий окружающего Землю пространства простирается на расстоянии 1,5 108 км (1 а.е.), а у Солнца на расстоянии более 50 а. е. При гравитационном взаимодействии Солнца и Земли их гравитационно-пространственные поля накладываются друг на друга. В силу того, что гравитационно-пространственный потенциал Солнца выше, чем у Земли, вектор напряженности их общего поля направлен к центру звезды, но не на всей протяженности разделяющего их пространства (Рис.2)
Рис. 2 Гравитационное взаимодействие Земли и Солнца
L – точка Лагранжа, FS – движущая сила, F3 – поперечная сила
Точка, где силы деформации силовых линий пространства двух взаимодействующих материальных тел уравновешиваются, носит название точки Лагранжа, в частности для тандема Земля – Солнце она находится на расстоянии 1 миллиона километров от Земли.
Силы, действующие в гравитационно-пространственных полях всех материальных тел универсальны, потому что первоисточником их действия являются взаимодействия положительно заряженных гравитонов с отрицательно заряженными простонами. Их действия суммируются в одну результирующую силу и в зависимости от направления их действия они усиливают или ослабляют друг друга.
Так, с освещенной стороны Земли вектора сжатия силовых линий пространства в гравитационно-пространственных полях Земли и Солнца, имеют противоположное направление и здесь они будут ослаблять друг друга. Их результирующая, хотя и будет направлена к центру Земли, но по величине она будет значительно уступать результирующей векторов с темной стороны Земли, где вектора совпадают по направлению.
В итоге в направлении центра Земли действуют две противоположные силы, одна из которых, действующая, с теневой стороны значительно превосходит противоположную. Под действием этой силы Земля падает на Солнце, но из-за наличия у нее поперечной скорости она движется по эллиптической орбите, совершая обороты вокруг Солнца. В результате вращения Земли её освещенная и теневая стороны постоянно меняются местами. Плотность же сложения земного шара неравномерна, поэтому движение силы в основном зависит от массы сосредоточенной на теневой стороне Земли, также постоянно меняется по величине. поэтому движение Земли по орбите происходит хаотично и орбита у нее не замкнута
С позиции смоделированной системы распад нейтрона происходит следующем порядке. Нейтрон вместе с протоном обеспечивает стабильную устойчивость ядра. Он играет важную роль в образовании химических элементов в недрах звезд. В природе нет химических элементов, кроме ядра легкого водорода, ядра которых состояли бы только из одних протонов, хотя эффективный заряд ядра обеспечивают именно протоны. Дело в том, что нейтрон это протон поглотивший электрон. В ядрах нейтроны объединены с протонами в, так называемые, дейтроны. Объединение частиц происходит, если они имеют одинаковый спин. В этом случае электрон оказывается между двумя протонами. Протоны сжимают силовые линии пространства, а электрон их расширяет. При сжатии силовых линий пространства выделяется энергия пространства ( – Ep), затраченная на отталкивание одноименных зарядов, а при расширении их выделяется энергия материи (Em), затраченная на их сжатие, которые периодически переходят друг в друга. В результате полная энергия (E) тандема p + n, а вместе с ним, так как ядра атомов состоят из наборов дейтронов, будет нулевой.
E = Em + (-Ep) =0
При вылете из ядра нейтрон оказывается в свободном состоянии. Входящие в его состав протон и электрон продолжают сжимать и расширять силовые линии пространства с выделением соответствующих энергий, причем энергии пространства выделяется меньше, чем энергии материи. В результата дисбаланса выделяющихся энергии через 15 минут нейтрон распадается на протон и электрон, а разница в энергиях преобразуется в электронное нейтрино.
.Электромагнитное взаимодействие происходит только между заряженными частицами. Вокруг них образуются электрические поля, свойства которых определяют знаки заряда и их состояние, то есть движутся они или находятся в покое. Так. покоящаяся положительно зараженная частица (заряд), окружена статическим электрическим полем, а движущаяся электромагнитным полем, Положительный заряд сжимает силовые линии окружающего его пространства, а отрицательный, наоборот, расширяет их. Если внести в электрическое поле положительного заряда точечный положительный заряд, то он будет дополнительно сжимать уже сжатые основным зарядом силовые линии пространства. При этом будет выделяться энергия пространства и возникнет сила, действующая в направлении от основного заряда. В результате точечный заряд будет выталкиваться из электрического поля основного заряда с силой обратно пропорциональной квадрату расстояния. Если в это поле внести отрицательно заряженный точечный заряд, то он будет расширять сжатые силовые линии пространства. При этом будет выделяться энергия материи и возникнет сила, действующая в направлении основного заряда. Движущийся заряд деформирует силовые линии окружающего его пространства не только в плоскости своего движения, но и в плоскости перпендикулярной этому движению. При этом выделяются энергия материи и энергия пространства, которые периодически переходят друг в друга
3. Наибольшим проявлением сильного взаимодействия являются ядерные силы, которые обеспечивают стабильную устойчивость ядра. В смоделированной системе механизм ядерного взаимодействия проявляет себя следующим образом Ядра атомов химических элементов, состоят из нуклонов (протонов и нейтронов), собранных в энергетические слои и каждому слою соответствует период химических элементов ПСЭ. Отдельно взятый нуклон взаимодействует не со всеми нуклонами ядра, а только с соседними. Это взаимодействие осуществляется с помощью электронов, входящих в состав нейтронов, Свободные протоны и протоны, входящие в состав нейтронов, разделены в ядрах электронами, входящими в состав нейтронов. Протоны сжимают силовые линии пространства. а электроны их расширяют. При этом выделяются энергия пространства и энергия материи, которые взаимно переходят друг в друга, вызывая колебательные движения отдельных дейтронов и всего ядра в целом. В результате ядро приобретает стабильную устойчивость При столкновении с ядром быстрых нейтронов с кинетической энергией 300 МэВ его кинетическая (материальная) энергия переходит внутри нейтрона в энергию пространства и преобразуется в массу покоя π-мезона, который после рождения вылетает и поглощается протоном. В результате нейтрон становится протоном, а протон нейтроном.
Конец ознакомительного фрагмента.