Методическое пособие по дисциплине «Концепции современного естествознания» содержит разделы: введение в дисциплину; фундаментальное строение материи (раздел общей темы «Физическая картина мира»); вопросы по теме двух уровней сложности.

Вид материала

Методическое пособие

Содержание 12. Фундаментальные взаимодействия 12.1. Роль фундаментальных взаимодействий в природе Сильное и слабое взаимодействия 12.2. Характеристики фундаментальных взаимодействий Таблица № 2 фундаментальные взаимодействия Кварки, лептоны

Подобный материал:

• Экзаменационные вопросы по дисциплине «концепции современного естествознания» Структура, 33.61kb.
• Введение Наука "Концепции современного естествознания", 48.81kb.
• Темы рефератов по дисциплине «концепции современного естествознания», 17.43kb.
• Контрольная работа по дисциплине «Концепции современного естествознания» Для студентов, 68.16kb.
• Учебно-методический комплекс дисциплины концепции современного естествознания Специальность, 187.08kb.
• Концепции Современного Естествознания, 274.86kb.
• Антропологи я, 1472.67kb.
• И. А. Кудрова вопросы к зачету по дисциплине «Концепции современного естествознания», 29.77kb.
• Темы рефератов по дисциплине «Концепции современного естествознания», 35.7kb.
• Высшее профессиональное образование т. Я. Дубнищева концепции современного естествознания, 9919.17kb.

Интересно отметить, что все обычное вещество во Вселенной построено из частиц первого поколения. Если бы все остальные лептоны и кварки внезапно прекратили свое существование, то в окружающем нас мире, по-видимому, очень мало что изменилось бы. По существу, вся Вселенная покоится на плечах частиц первого поколения. Возможно, более тяжелые кварки и лептоны играют роль своего рода дублеров легчайших кварков и лептонов. Все они нестабильны и быстро распадаются на более легкие частицы. Например, таон и мюон распадаются на электроны, а странные, очарованные и пр. частицы довольно быстро распадаются на нейтроны и протоны (в случае барионов), либо на лептоны (в случае мезонов). Возникает вопрос: для чего понадобились природе все эти частицы второго и третьего поколений?¹²

В описанной стройной схеме обнаруживается принципиальный дефект. Кварки, будучи фермионами, не могут составлять друг другу компанию, если их состояния одинаковы. Присутствие вместе кварков одного аромата нарушает принцип запрета Паули. Для устранения выявившегося несоответствия ввели еще одно квантовое число, которое было названо цветом. Конечно, никакого «цвета» в общепринятом смысле у кварков нет, так же как «аромат» кварков не имеет никакого отношения к запаху. Важно, что за цветом стоит реальное свойство кварков. Таким образом, кварки любого аромата могут находиться в трех различных цветовых состояниях, в результате адрон должен быть «бесцветным».

То обстоятельство, что из различных комбинаций кварков можно получить все известные барионы и мезоны, символизировало главный триумф теории кварков. Однако все усилия обнаружить одиночные кварки оказались тщетными. Сложилась парадоксальная ситуация. Внутри адронов кварки, несомненно, существуют. Об этом свидетельствует не только рассмотренная кварковая систематика адронов, но и прямое «просвечивание» нуклонов быстрыми электронами. В этом эксперименте (по сути, полностью аналогичном опыту Резерфорда) было обнаружено, что внутри адронов электроны рассеиваются на точечных частицах с зарядами, равными –1/3 и +2/3 и спином, равным ½, то есть, получены прямые физические доказательства существования кварков внутри адронов. А вот вырвать кварки из адронов невозможно. Это явление получило название «конфаймент» (confinement-пленение, англ.).

Невылетание кварков из адронов обусловлено спецификой их сил взаимодействия (см. ниже). Оказывается, силы притяжения, действующие между кварками, не убывают с расстоянием, что делает невозможным отделение кварков друг от друга. Когда кварки находятся на малых расстояниях (внутри адронов), взаимодействие между ними мало (кварки практически свободны). При попытке отделить кварки сообщаемая им энергия, в конце концов, пойдет на образование дополнительных адронов. Невозможность наблюдать кварки в свободном состоянии делает их совершенно новым типом структурных единиц вещества.¹³

Теперь можно обратиться к проблеме взаимодействия между частицами. Все процессы, которые происходят во Вселенной, есть результат этих взаимодействий.


12. Фундаментальные взаимодействия

Следующий принципиальный вопрос, на который должна ответить наука для объяснения строения вещества, связан с природой и характером взаимодействия между частицами, что при определенных условиях приводит к образованию связанных состояний. Что же заставляет кварки объединяться в нуклоны, нуклоны в ядра, ядра и электроны в атомы, атомы в молекулы? Почему во Вселенной существуют скопления вещества в виде планет, звезд, галактик? Какова природа сил, вызывающих все те изменения, которые происходят в нашем материальном мире?

Оказывается, все происходящее в природе можно свести всего к четырем фундаментальным взаимодействиям

• сильное (strong) S
  
• электромагнитное E
  
• слабое (weak) W
  
• гравитационное G.
  

12.1. Роль фундаментальных взаимодействий в природе

Рассмотрим сначала гравитационное взаимодействие. Исторически гравитация (тяготение) первым из четырех фундаментальных взаимодействий стала предметом научного исследования. Из школы нам известен закон тяготения Ньютона, определяющий силу гравитационного притяжения, действующую между двумя телами с массами m₁ и m₂, находящимися на расстоянии r друг от друга (размеры тел малы по сравнению с r):

F_гр.= Gm₁·m₂ /r²,

где G=6.67·10^-11м³/(кгс²) - гравитационная постоянная.

Важнейшая особенность гравитации – ее универсальность. Ничто во Вселенной не избавлено от нее. Гравитационное взаимодействие действует между любыми объектами, обладающими массой или энергией. Именно гравитация не позволяет Вселенной развалиться на части, собирая вещество в планеты и звезды, удерживая планеты на орбитах, «связывая» звезды в галактики. Вообще, в астрономических масштабах, гравитационное взаимодействие играет определяющую роль. Что касается микромира, то на фоне куда более могучих сил, гравитацией можно пренебречь.

Электромагнитное взаимодействие присуще всем частицам, обладающим электрическим зарядом. Как и гравитационное, электромагнитное взаимодействие является дальнодействующим, а закон, определяющий силу, действующую между точечными покоящимися зарядами, аналогичен закону тяготения – это известный из школы закон Кулона: (F_Кул.  q₁·q₂ /r²).

Однако, в отличие от гравитации, которая всегда является притяжением, электрическое притяжение существует только между зарядами разного знака, в то время как одноименные заряды отталкиваются. Благодаря электромагнитному взаимодействию отрицательных электронов и положительно заряженных ядер становится возможным образование атомов и молекул. Межмолекулярные силы, которые определяют свойства различных агрегатных состояний вещества, также имеют электрическую природу.

В силу дальнодействия электромагнитное взаимодействие может заметно проявляться и на макроскопическом уровне. К нему фактически сводится большинство наблюдаемых физических сил (упругости, трения и др.). Электромагнитное взаимодействие лежит в основе химических превращений веществ и всех наблюдаемых электрических, магнитных и оптических явлений.

Сильное и слабое взаимодействия проявляются только в микромире, на субъядерном уровне. Сильное взаимодействие присуще кваркам и образованиям из кварков – адронам. Основная функция сильного взаимодействия – соединять кварки (и антикварки) в адроны. Ядерные силы, которые объединяет нуклоны в ядра, являются специфическими отголосками сильного взаимодействия (его часто называют остаточным сильным взаимодействием).

Слабое взаимодействие присуще всем фундаментальным фермионам. Для нейтрино – это единственное взаимодействие, в котором они участвуют. В отличие от сильного взаимодействия, функция слабого взаимодействия заключается в изменении природы (аромата) частиц, то есть в превращении одного кварка в другой (то же относится и к лептонам).

В отсутствие слабого взаимодействия стабильными были бы не только протон и электрон, но и мюоны,   мезоны, странные и очарованные частицы, которые распадаются в результате слабого взаимодействия. Если бы удалось «выключить» слабое взаимодействие, то погасло бы Солнце, поскольку был бы невозможен процесс превращения протона в нейтрон (-распад), в результате которого четыре протона превращаются в ₂Не⁴, два позитрона и два нейтрино (так называемый водородный цикл, который служит основным источником энергии Солнца и большинства звезд.).

12.2. Характеристики фундаментальных взаимодействий


Об интенсивности взаимодействий можно судить по скорости процессов, которые они вызывают. Обычно сравнивают между собой скорости процессов при энергии 1 ГэВ, характерных для физики элементарных частиц. При таких энергиях процесс, обусловленный сильным взаимодействием, происходит за время 10^-24с, электромагнитный процесс за время 10^-21с, характерное же время процессов, происходящих за счет слабого взаимодействия, гораздо больше: 10^-10с.

Можно ввести некоторую постоянную, характеризующую интенсивность взаимодействий (), которую обычно называют константой связи. Если принять за единицу интенсивность сильного взаимодействия, то для кварков при указанной энергии (1 ГэВ) интенсивности различных взаимодействий равны:


_S=1 _E10^-2 _W10^-6 _G10^-39


В отличие от электромагнитного и гравитационного взаимодействий, сильное и слабое взаимодействия являются короткодействующими. Их радиусы действия равны соответственно:

R_S10^-15м R_W10^-18м.


Основные характеристики фундаментальных взаимодействий приведены в Таблице №2.


ТАБЛИЦА № 2 ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

Характеристики Вид взаимодействия	Участники взаимо- действий	Интенсивность взаимодействий  (для кварков при энергии 1 ГэВ)	Радиус действия R (м)	Роль взаимодействий в природе
Сильное S	Кварки и все частицы, составленные из кварков	1	10-15	Образование связан - ных состояний из кварков (барионов и мезонов). Остаточное сильное взаимодей - ствие связывает нуклоны в ядрах.
Электромагнитное E	Все частицы, обладающие электрическим зарядом	10-2		Образование атомов (из ядер и электронов) и молекул из атомов. Обуславливает меж - молекулярные взаимо- действия и образова -ние агрегатных состоя-ний вещества.
Слабое W	Кварки, лептоны	10-6	10-18	Ответственно за превращения элементарных частиц.
Гравитационное G	Частицы, имеющие массу или энергию	10-39		Существенно в косми- ческих масштабах, обуславливает образо- вание и движение пла- нет, звезд, галактик.