Фундаментальные физические взаимодействия

Под взаимодействием понимается развертывающийся во времени и пространстве процесс воздействия одних объектов на другие путем обмена материей и движением.

Все силы и взаимодействия между материальными объектами в природе сводятся к проявлению четырех типов фундаментальных взаимодействий: сильного (ядерного), электромагнитного, слабого и гравитационного. Эти взаимодействия обеспечивают существование окружающего нас мира и существование различных частиц вещества: молекул, атомов, атомных ядер, элементарных частиц.

Сильное взаимодействие обеспечивает существование атомных ядер. Примерами проявления электромагнитного взаимодействия служат кулоновские силы взаимодействия электрических зарядов, магнитные силы взаимодействия электрических токов. Слабое взаимодействие проявляет себя при - распадах радиоактивных ядер и элементарных частиц. Примером проявления гравитационного взаимодействия служит сила тяжести.

Фундаментальные взаимодействия характеризуются своим радиусом действия, т.е. размером той области, в которой они проявляются заметным образом, и своей интенсивностью, что определяет их поведение на различных уровнях строения материи – мега-, макро- и микромир.

Сильное и слабое взаимодействия являются короткодействующими. Их силы сравнительно быстро убывают с расстоянием. Сильное взаимодействие проявляет себя значительным образом на расстояниях до 10^{-15 м – размер порядка радиуса атомных ядер. Слабое взаимодействие имеет еще меньший радиус действия - порядка 10-18 м. Таким образом, данные взаимодействия проявляют себя лишь в микромире. Силы электромагнитного и гравитационного взаимодействий сравнительно медленно убывают с расстоянием (как ). Они являются дальнодействующими и, в принципе, могут проявлять себя на всех структурных уровнях материи.}

Сравнительные характеристики фундаментальных взаимодействий и их основные проявления приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1.

В атомной физике можно учитывать лишь электромагнитное взаимодействие (гравитационное взаимодействие обладает сравнительно малой интенсивностью и поэтому им можно пренебречь; гравитационные заряды – массы частиц – малы). Сильное и слабое взаимодействия проявляют себя заметным образом только на расстояниях много меньших размеров атома и в атомной физике ими можно пренебречь.

Протоны и нейтроны в ядрах атомов связаны между собой силами сильного и электромагнитного взаимодействий, превращения ядер и элементарных частиц могут быть обусловлены слабым взаимодействием (бета-распад). Поэтому в ядерной физике и физике элементарных частиц необходимо учитывать три типа фундаментальных взаимодействий (гравитационное взаимодействие в силу его малости, как правило, не учитывается).

Человек может воспринимать два типа взаимодействий: гравитационное и электромагнитное. Сильное и слабое взаимодействия непосредственно не воспринимаются человеком, но они играют основополагающую роль в образовании разнообразных объектов микромира.

Согласно современной концепции близкодействия, в отличие от концепции дальнодействия, любое взаимодействие протекает с конечной скоростью, пределом которой является скорость света в вакууме, и нуждается в носителе передачи взаимодействия. В современной концепции близкодействия различают две модели: полевую и квантовую. Согласно полевой модели взаимодействие осуществляется посредством некоторых физических полей. Их примерами могут служить гравитационное и электромагнитное поля. Согласно квантовой модели взаимодействие между микрочастицами осуществляется путем обмена виртуальными частицами – переносчиками взаимодействия.

В настоящее время заметна тенденция к объединению фундаментальных взаимодействий. Первым успехом здесь стало объединение электромагнитного и слабого взаимодействий в единое электрослабое взаимодействие. Осуществляются попытки объединения электрослабого и сильного взаимодействий. В перспективе ставится задача объединения всех четырех типов фундаментальных взаимодействий – суперобъединение.