Доработка

Характеристика основных физических взаимодействий. Близкодействие и дальнодействие.

В настоящее время известны четыре типа взаимодействий: гравитационные, слабые, электромагнитные и сильные. Физике XVII—XVIII вв. были известны только гравитационные взаимодей­ствия. Было найдено, что гравитационные силы прямо пропорцио­нальны произведению масс и обратно пропорциональны квадрату расстояния между массами. Мы постоянно ощущаем гравитацию в на­шей жизни. Гравитация (лат. gravitas "тяжесть"), или тяготение, не очень существенна при взаимодействии между малыми частицами, но она удерживает планеты, всю Солнечную систему и галактики. По закону всемирного тяготения (открытого Ньютоном), описываю­щему это взаимодействие в хорошем приближении, две точечные массы притягивают друг друга с силой, направленной вдоль соеди­няющей их прямой: Fгр=-G*m1*m2/r2.

Знак минус указывает, что мы имеем дело с притяжением, r — расстояние между телами (считается, что размер тел много меньше r), m1 и m2 — массы тел. Величина G — универсальная постоянная, определяющая величину гравитационных сил. Если тела массами в 1 кг находятся на расстоянии 1 м друг от друга, то сила притяжения между ними равна 6,67* 1011Н. Если бы величина G была больше, то увеличилась бы и сила. Утверждение об универсальности постоян­ной G означает, что в любом месте Вселенной и в любой момент времени сила притяжения между массами в 1 кг, разделенными рас­стоянием в 1 м, будет иметь то же значение. Поэтому можно гово­рить об универсальности постоянной G и о том, что она определяет структуру гравитирующих систем.

Эйнштейн в своей теории тяготения (ОТО) показал, что гравитацию можно опи­сывать как эквивалент ускоренного движения. Хотя ОТО дает отличные от теории Ньютона результаты в сильных гравитационных полях, вдали от тяжелых тел и в пределах слабых полей обе теории совпадают. Согласно ОТО, возможен дополни­тельный источник гравитации, обладающий весьма необычными свойствами: ве­дет к расталкиванию материи, а не к концентрации ее, и сила отталкивания Fкосм. возрастает с расстоянием в отличие от "обычной гравитации" Правда, эти свой­ства могут проявляться только в очень больших масштабах Вселенной Новый фактор был введен Эйнштейном, чтобы избежать сжатия Вселенной под влиянием самогравитации и обеспечить ее стационарность. После открытия Хабблом крас­ного смещения, объясняемого расширением Вселенной, Эйнштейн стал отказываться от своего "космологического члена", однако современная квантовая теория требует введения космологического члена, хотя в этом вопросе много проблем. Сила отталкивания неимоверно мала, ее представляют в виде: Fкосм=L*r*m*c2 , где m — масса отталкиваемого объекта, г — его расстояние от отталкивающего тела, с — скорость света. Примечательно, что сила отталкивания не зависит от оттал­кивающей массы. Современные наблюдения устанавливают верхний предел для L=10-53 м2, т.е. для двух тел массами по 1 кг, находящихся на расстоянии 1 м, сила притяжения превышает космическое отталкивание, по крайней мере, в 1025 раз. Если две галактики с массами 1041 кг находятся на расстоянии 10 млн световых лет (около 1022 м), то для них силы притяжения примерно уравновеши­вались бы силами отталкивания, если действительно близка к указанному верх­нему пределу. Поэтому эта величина не измерена до сих пор, хотя и важна для крупномасштабной структуры Вселенной как фундаментальная.

Обратимся теперь к электромагнитному взаимодействию. И электрические, и магнитные силы обусловлены электрическими зарядами. Силы взаимодействия между зарядами сложным образом зависят от положения и движения зарядов. Если два заряда е1 и е2 непод­вижны и сосредоточены в точках на расстоянии r, то взаимодействие между ними чисто электрическое и определяется простой зависимос­тью (закон Кулона):

Fэл.=e1*e2/(4*р*е*u2)

Здесь сила электрического взаимодействия, направленная вдоль прямой, соединяющей заряды, будет силой притяжения или оттал­кивания в зависимости от знаков зарядов e1 и e2. Через е обозначе­на универсальная постоянная, определяющая интенсивность элект­ростатического взаимодействия, ее значение 8,85*1012 Ф/м. Напри­мер, два заряда по I кулону (Кл), разнесенные на I м, будут испы­тывать силу 8,99*109 Н.

Электрический заряд всегда связан с элементарными частицами. Численная величина заряда наиболее известных среди них — протона и электрона — одинакова: это универсальная постоянная, равная 1,6*10-19 Кл. Заряд протона считается положительным (обозначает­ся е), электрона — отрицательным

Магнитные силы полностью порождаются электрическими тока­ми — движением электрических зарядов. Существуют попытки объе­динения теорий с учетом симметрии, в которых предсказывается существование магнитных зарядов, но они пока не обнаружены. По­этому величина е определяет и интенсивность магнитного взаимо­действия.

Если электрические заряды движутся с ускорением, то они отда­ют энергию в виде света, радиоволн или рентгеновских лучей. Види­мый свет является электромагнитным излучением определенного ди­апазона частот. Почти все носители информации, воспринимаемые нашими органами чувств, имеют электромагнитную природу, хотя и проявляются подчас в сложных формах. Электромагнитные взаимо­действия определяют структуру и поведение атомов.

Проблема пустоты всегда вызывала и до сих пор выбывает ожив­ленные дискуссии. В привычном для нас мире большинство взаимо­действий осуществляется путем прямого контакта. Аристотель разли­чал следующие силы — тягу, давление и удар. Основываясь на пер­вых двух понятиях (где сила прилагается непосредственно, через по­верхность), он вывел характеристики вращательного движения. По­нятие удара вело к баллистическим движениям отброшенных тел, по­этому Аристотель, желая сохранить картину действия сил целостной, считал, что отброшенное тело "ведет" среда.

Аристотелево представление о невозможности "пустоты" было отвергнуто только в XVII в. благодаря ртутному барометру физика и математика Эванджелиста Торричелли (1608—1647), ученика Галилея. Он налил в закрытую с одного конца стеклянную трубку ртуть и поместил трубку открытым концом в сосуд, наполненный ртутью. Столб жидкости в трубке опустился до 750мм над уровнем ртути в сосуде, и в верхней части трубки образовалось пространство без признаков присутствия в нем воздуха. Так Торричелли открыл существование вакуума, а полученное им безвоздушное пространство по­лучило название торричеллиевой пустоты. Через несколько лет