Физическое взаимодействие

Взаимодействие представляет собой развертывающийся во времени и пространстве процесс воздействия одних объектов на другие путем обмена материей и движением. Оно обусловливает соединение элементов в системы. Все свойства тел являются производными от взаимодействий.

Взаимодействие выступает как движение материи, а любое движение включает в себя различные виды взаимодействия. Не существует движения, в котором не было бы взаимодействия, так и не существует взаимодействия без движения. Взаимодействие и движение являются формой существования материи. По современным представлениям взаимодействие любого типа должно иметь своего физического агента-переносчика.

Любые формы движения материи, изучаемые физикой, являются фундаментальными взаимодействиями. Это силы гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий.

Гравитационное взаимодействие является самым слабым из всех физических взаимодействий. Оно описывается законом тяготения И. Ньютона. В макромире оно тем сильнее, чем больше массы взаимодействующих тел. В микромире гравитационное взаимодействие теряется на фоне более мощных сил. Так, сила гравитационного притяжения электронов в 10⁴⁰ раз меньше, чем их сила электростатического отталкивания. И только при сверхвысокой плотности вещества, порядка 10⁹⁴ г/см³ гравитационные взаимодействия могут быть сравнимы с другими формами взаимодействия в микромире.

Гравитационные взаимодействия обусловливают образование всех космических систем, а также концентрацию рассеянной материи звезд и галактик. Считается, что скорость распространения гравитационных волн равна скорости света в вакууме, но они еще достоверно не зарегистрированы приборами. Чувствительность современных измерительных устройств недостаточна для их регистрации из-за ничтожно малой амплитуды. Тем не менее американским физикам Р. Хясли и Дж. Тейлору удалось косвенно подтвердить существование гравитационных волн, за что в 1993 г. они были удостоены Нобелевской премии.

Для гравитации не существует противоположной эквивалентной силы отталкивания - антигравитации. Все античастицы обладают положительными значениями массы и энергии.

С точки зрения квантовой механики предполагается, что поле тяготения создается частицей гравитоном, хотя экспериментально она еще не найдена. Считается, что силы тяготения являются результатом постоянного обмена между телами гравитонами, которые переносят энергию и обладают всеми характеристиками, присущими материальным объектам.

В общей теории относительности существует понимание гравитации как проявление кривизны пространства. Чем больше масса тела, тем большее искривление пространства создает поле тяготения.

Пока не ясно, какая их данных теорий ближе к истине.

Электромагнитное взаимодействие обладает универсальным характером и существует между любыми телами. Проявляется в притяжении разноименных зарядов или отталкиванием одноименных.

Благодаря электромагнитному взаимодействию возникают атомы, молекулы и макроскопические тела. Все химические реакции - это проявление электромагнитных взаимодействий, которые приводят к перераспределению химических связей между атомами и молекулами.

Электричество и магнетизм - это силы одного и того же феномена. Электродинамика Д. Максвелла является законченной классической теорией электромагнетизма, сохраняющей свое значение и в наши дни.

В современной физике создана более совершенная и точная квантовая электродинамика, которая утверждает, что заряд создает поле, квантом которого является безмассовая частица фотон.

Электрический заряд проявляется в двух разновидностях: заряд электрона назван отрицательным, а заряд, которым обладают протон и позитрон - положительным. Взаимодействие положительных и отрицательных зарядов обеспечивается обменом фотонов. Во всех электромагнитных процессах выполняется закон сохранения заряда, импульса и энергии.

Слабое взаимодействие - это фундаментальное физическое взаимодействие, существующее только в микромире. Оно способствует превращению одних частиц (фермионов) в другие. Примером такого взаимодействия является b-распад. В ходе этого процесса свободный нейтрон в среднем за 15 минут распадается на протон, электрон и антинейтрино.

n₀ ® p⁺ + e^- + n^-

Распад вызван превращением внутри нейтрона кварка аромата d в кварк аромата u. Слабым зарядом обладают некоторые элементарные частицы из класса лептонов и кварков. Он образует три разновидности поля с обменными частицами (бозонами), имеющими значительную массу. Радиус его действия очень мал - 10^{-15 см.}

В настоящее время предполагается, что существует единый фундаментальный заряд, определяющий одновременно слабое и электромагнитное взаимодействие.

Сильное взаимодействие соединяет элементарные частицы - кварки и антикварки в адроны. Теория сильных взаимодействий находится в стадии становления. Исходным положением этой теории является существование трех условных типов цветовых зарядов кварков: красного, синего и зеленого, которые и определяют сильное взаимодействие.

Цветовые заряды кварков и антикварков создают 8 типов полей, переносчиками (квантами) которых являются 8 типов цветовых бозонов, названных глюонами. Глюоны, как фотоны и гравитоны, не имеют массы, но имеют цветовые заряды и обладают ограниченным радиусом действия, равным 10^{-13 см. На очень близких расстояниях кварки перестают влиять друг на друга, но с увеличением расстояния между кварками сила взаимодействия нарастает. Для разделения двух частиц с цветовыми зарядами понадобилась бы бесконечно большая энергия.}

До открытия кварков и их цветового взаимодействия фундаментальным считалось ядерное взаимодействие, объединяющее протоны и нейтроны (барионы) в ядрах атомов. С открытием кваркового уровня вещества под сильным взаимодействием стали понимать цветовые взаимодействия между кварками. Таким образом, ядерные силы - это отголоски цветовых сил.

В настоящее время физики пытаются вывить универсальные механизмы всех фундаментальных физических взаимодействий. Объединение электромагнитного и слабого взаимодействия в единое элетрослабое взаимодействие стало первым успехом на этом пути. Существуют попытки создания теории Большого объединения на основе объединения электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий. Еще более грандиозна идея объединения всех типов фундаментального взаимодействия (гравитационного, электромагнитного, слабого, сильного) в теорию Суперобъединения.

Физики считают, что могут создать эту теорию на основе теории суперструн. Теория суперструн основана на предположении, что существуют некие протяженные объекты - струны. Это пространственно одномерные отрезки, размером 10^{-33 см, имеющие 6 дополнительных пространственных измерений, которые в отличие от обычных 4-х измерений, замкнуты и свернуты в точки, не распространяясь на область макромира.}

Понятие струны становится синонимом понятия частицы. Все частицы являются возбужденным состоянием струн. Различная степень возбуждения («звучания») струн определяет различные свойства элементарных частиц.

Теория суперструн предполагает некоторые интересные следствия:

· струны могут порождать гипотетические элементарные частицы тахионы, движущиеся со скоростью, большей скорости света.

· возможность существования теневого мира, как объяснение факта, открытого астрономами, что галактики содержат массу невидимого вещества, в десятки раз превосходящую массу самих галактик.

5. Динамические и статистические законы

Динамические и статистические законы физики имеют отношение к объяснению хаоса и порядка. Феномены порядка и беспорядка (хаоса) в природе объясняются в физике на основе законов (начал) термодинамики. Термодинамика - это раздел физики, изучающий тепловые явления.

Первое начало термодинамики называют еще законом сохранения энергии. Согласно этому фундаментальному закону, энергия сохраняется в изолированной системе. Ее количество всегда остается постоянным, превращаясь лишь из одной формы в другую - механическую, тепловую, внутреннюю. Внутренняя энергия складывается из движений атомов, энергии химических связей, электронов. Первый закон термодинамики утверждает, что тепло, сообщенное системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии. Закон не имеет исключений и доказывает принципиальную невозможность создания вечного двигателя первого рода, который совершал бы работу больше, чем подводимая к нему энергия.

Второе начало термодинамики запрещает существование вечного двигателя второго рода, т. е. машины, способной совершать работу за счет переноса тепла от холодного тела к горячему. Согласно этому закону, тепло не может самопроизвольно перетечь от холодного тела к горячему. Второй закон термодинамики указывает на существование двух различных форм энергии - теплоты как меры хаотического движения частиц и работы, связанной с упорядоченным движением. Работу всегда можно превратить в эквивалентное ей тепло, но тепло нельзя полностью превратить в работу. Таким образом, неупорядоченную форму энергии нельзя превратить в упорядоченную.

Мерой неупорядоченности в термодинамике является энтропия, которая всегда положительна, кроме случая с идеальным кристаллом при абсолютном нуле (-273 ^оС), но третье начало термодинамики говорит о недостижимости абсолютного нуля. Иногда используется отрицательная величина энтропии - негэнтропия, которая является мерилом упорядоченности системы. Рост негэнтропии соответствует возрастанию порядка, а энтропии - росту хаоса.

В соответствии со вторым законом термодинамики в изолированных системах, т. е. системах, не обменивающихся с окружающей средой энергией, неупорядоченное состояние (хаос) не может самостоятельно перейти в порядок. Таким образом, в изолированных системах энтропия может только расти. Эта закономерность получила название принципа возрастания энтропии. Согласно этому принципу, любая система стремится к состоянию термодинамического равновесия, которое отождествляется с хаосом. Поскольку увеличение энтропии характеризует изменения во времени замкнутых систем, то энтропия выступает в качестве своеобразной стрелы времени.

Из этого принципа вытекает пессимистическая гипотеза о тепловой смерти Вселенной, сформулированная Р. Клазиусом и У. Кельвином, в соответствии с которой:

* энергия Вселенной всегда постоянна;

* энтропия Вселенной всегда возрастает.

Таким образом, все процессы во Вселенной направлены в сторону достижения состояния термодинамического равновесия, соответствующему состоянию наибольшего хаоса и дезорганизации. Все виды энергии деградируют, превратившись в тепло, и звезды закончат свое существование, отдав энергию в окружающее пространство. Установится постоянная температура лишь на насколько градусов выше абсолютного нуля. В этом пространстве будут разбросаны безжизненные, остывшие планеты и звезды. Не будет ничего - ни источников энергии, ни жизни.

Такая мрачная перспектива предсказывалась физикой вплоть до 60-х годов ХХ столетия, хотя выводы термодинамики противоречили результатам исследований в биологии и социальных науках. Так, эволюционная теория Дарвина свидетельствовала, что живая природа развивается преимущественно в направлении усовершенствования и усложнения новых видов растений и животных. История, социология, экономика, другие социальные и гуманитарные науки так же показывали, что в обществе, несмотря на отдельные зигзаги развития, в целом наблюдается прогресс.

Опыт и практическая деятельность свидетельствовали, что понятие закрытой или изолированной системы является достаточно грубой абстракцией, упрощающей действительность, поскольку в природе трудно найти системы, не взаимодействующие с окружающей средой. Противоречие стало разрешаться, когда в термодинамике вместо понятия закрытой изолированной системы ввели фундаментальное понятие открытой системы, т. е. системы, обменивающейся с окружающей средой веществом, энергией и информацией.