Фундаментальные физические взаимодействия

Сильное взаимодействие обеспечивает сильную связь протонов и нейтронов в ядрах атомов, кварков в нуклонах^[12] и определяет ядерные силы. Оно описывается теорией сильных взаимодействий (квантовой хромодинамикой). В сильном взаимодействии участвуют адроны^[13] и их взаимодействие дает большой выход энергии при ядерных реакциях. Сильное взаимодействие превосходит электромагнитное примерно в 100 раз, его радиус действия очень мал, около 10^–15 м. Лептоны (например, электроны) не участвуют в сильном взаимодействии).

Электромагнитное взаимодействие существует как в микро, так и в макро мире и выступает как отталкивание между зарядами одного знака и притяжение между зарядами противоположных знаков. Оно определяет возникновение атомов, молекул и макроскопических тел. Это взаимодействие, которое отвечает за химические свойства вещества. Электромагнитное взаимодействие в 100-1000 раз слабее сильного взаимодействия. Электромагнитное взаимодействие - обеспечивает связь электронов с ядрами, атомов в молекулах. Оно обладает бесконечно большим радиусом действия. Электромагнитное взаимодействие определяет давление света. Оно связано с законом Кулона о взаимодействии точечных зарядов. Квантовые свойства света были открыты А. Эйнштейном в нач. 20 в. Масса покоя квантов света равна нулю.

Электрические заряды и токи создают магнитное поле. Магнитное поле действует на движущиеся электрические заряды и электрические токи. На неподвижные электрические заряды магнитное поле не действует.

Сфера действия электромагнитного взаимодействия очень широка. В зависимости от длины волны различают следующие излучения (в порядке возрастания): 1) рентгеновское, 2) ультрафиолетовое, 3) видимый свет, 4) инфракрасный, 5) радиодиопазон. Энергия квантов электромагнитного излучения возрастает в другой последовательности: 1) радиодиапазон, 2) видимое излучение, 3) ультрафиолетовое, 4) рентгеновское, 5) гамма-диапазон.

В УИС применяется радиолучевое средство обнаружения «Пион», принцип действия которого основан на регистрации изменений параметров электромагнитного поля, созданного передатчиком и образующего зону обнаружения, при вторжении в эту зону нарушителя.

Электрические импульсы высокого напряжения и малого тока вызывают у человека нелетальный отражающий шок. Этот принцип используется в электризуемых заграждениях отталкивающего воздействия. Использование таких систем значительно повышает надежность охраны объектов^[14].

Слабое взаимодействие обеспечивает переход между разными типами кварков, в частности, определяет распад нейтронов, известный также как β-распад; вызывает взаимные переходы между различными типами лептонов. За счет слабого взаимодействия светят звезды (протон превращается в нейтрон, позитрон и нейтрино). Слабое взаимодействие действует только в микромире и описывает некоторые виды ядерных процессов. Оно короткодействующее и характеризует все виды бета-превращений. Слабое взаимодействие слабее электромагнитного, но намного сильнее гравитационного. Его радиус действия очень мал. Слабое взаимодействие описывается теорией слабого взаимодействия, созданной в 1967 г. С. Вайнбергом и А. Саламом. В ядерных взаимодействиях определяющими являются сильное и слабое взаимодействие.

Гравитационное взаимодействие выступает в виде взаимного притяжения тел. Оно имеет универсальный характер, являясь как дальнодействующим, так и близкодействующим. В повседневной жизни роль гравитационного взаимодействия очень заметна. Оно определяет динамику планет солнечной системы и др. мега объектов.

Гравитация – это самое слабое из всех остальных взаимодействий (сила электростатического от­талкивания электронов в 10⁴⁰ раз больше силы их гравитационного притяжения). Это взаимодействие, однако, (как и электромагнитное) имеет бесконечно большой радиус действия. Скорость распространения гравитационного взаимодействия не должна превышать скорость света, т.е. 300 тыс. км/с. Гравитация замедляет ход времени и может остановить его ход.

Сила гравитации известна с незапамятных времён. Так, в древнейших космологиях, пуранах, гравитация называется энергией «ананта», которая поднимается с низшей части Вселенной и распределяется в качестве поля. В классической физике гравитационное взаимодействие описывается законом всемирного тяготения Ньютона. Ньютон открыл формулу, связывающей массу гравитирующих тел и силу, с которой они притягиваются. Масса тела является мерой инертности, количества вещества и тяготения. Причины невесомости заключаются в: равенстве «0» суммы всех сил, действующих на тело; отсутствии или очень слабой гравитации; движении с ускорением в гравитационном поле.

Современной науке природа гравитации до сих пор неясна. Несмотря на то, что сейчас принята теория гравитационного взаимодействия, разработанная в общей теории относительности А. Эйнштейна, физики постоянно ведут поиски альтернативных моделей гравитации, т.к. это взаимодействие отличается от всех других (остальные взаимодействия описываются квантовыми полевыми теориями). ОТО связывает гравитацию с геометродинамическими свойствами пространственно-временного континуума (поле тяготения создает искривление пространства тем больше, чем больше тяготеющая масса). В квантовой теории, квантами поля тяготения являются гравитоны, которые переносят энергию, обладают импульсом и другими характеристиками. Гравитационное взаимодействие в микромире при расстояниях порядка 10^-13см может не учитываться, однако при расстояниях порядка 10^-33 см начинают проявляться особые свойства физического вакуума – виртуальные сверхтяжелые частицы окружают себя гравитационным полем, искажающим геометрию пространства.

Четыре типа взаимодействий переносятся своим типом бозонов^[15]. Фотон, квант све­та, переносит электромагнитные взаимодействия. Восемь глюонов осуществляют перенос сильных ядерных взаимодей­ствий, связывающих кварки. Промежуточные векторные бозоны пе­реносят слабые взаимодействия, ответственные за некоторые распа­ды частиц. Что же передаёт силу тяготения? Гравитон экспериментально не был подтверждён. Большой адронный коллайдер, созданный Европейской организацией по ядерным исследованиям, призван раскрыть загадку массы. Рабочая гипотеза за экспериментом по ускорению протонов в 27 километровом магнитном туннеле, охлаждённом до – 271 º С, заключается следующем: кварки и глюоны внутри протонов сталкиваются, производя взрыв, рождающий неустойчивый бозон Хиггса. Полагают, что Бозон Хиггса и другие неизвестные частицы образуют 95% тёмной энергии и материи. Постоянно появляющиеся и исчезающие бозоны Хиггса создают торможение для кварков, но не влияют на электроны и фотоны. Масса, в этой гипотезе, это трение о поле Хиггса.

Все силы в природе описываются на сегодняшний день четырьмя видами взаимодействий. Доказано, что при энергии 100 ГэВ (100 млрд эВ) объединяются электромаг­нитное и слабое взаимодействия. Такая энергия соответствует темпе­ратуре Вселенной через 10^-10с после Большого взрыва и она в 4 трил­лиона раз выше комнатной температуры.

Более высокую энергию невозможно получить экспериментально. Здесь исследователи вынуждены обратится ко Вселенной как к гигантскому ускорителю. Теория Великого Объединения утверждает, что при энергии порядка 10¹⁵ ГэВ можно достичь объединения с ними сильных взаимодействий, а при энергии 10¹⁹ ГэВ к взаимодействиям ТВО присоединится и гравита­ционное взаимодействие. Объединению всех видов взаимодействия называется Теорию Всего Сущего.