Конспект - Силы в природе.

Конспект урока "Силы в природе"

Прежде чем изучать взаимодействие тел, необходимо задаться вопросом: какие вообще существуют виды взаимодействий? Какие существуют силы в природе?

Мы познакомимся с фундаментальными типами взаимодействий, а также с актуальными на сегодняшний день теориями о некоторых видах взаимодействий. В настоящее время, в физике разделяют всего четыре типа фундаментальных сил.

Итак, первый вид сил или первый вид взаимодействия вам хорошо знаком — это гравитационное взаимодействие. В общем и целом, можно сказать, что гравитационные силы действуют между всеми телами, и все тела притягиваются друг к другу. Как правило, гравитационными силами можно пренебречь, если речь не идет об огромных телах, таких как небесные тела (то есть планеты, звезды и так далее).

Второй тип взаимодействия вам тоже хорошо знаком — это электромагнитные силы. Эти силы действуют между всеми частицами, имеющими заряд электрические заряды. Электромагнитные силы, как и гравитационные, тоже имеют обширную сферу действия. Электромагнитное взаимодействие проявляется в любых живых организмах и в любых состояниях вещества.

Существует также, так называемое «сильное взаимодействие» — это проявление ядерных сил, с которыми вы уже немного познакомились, изучая курс физики девятого класса. Эти силы очень кратковременные. Конечно же, область действия ядерных сил не распространяется за пределы атомных ядер. Несмотря на это, ядерные силы очень важны. Именно исходя из знаний о сильном взаимодействии, люди смогли развить такую отрасль, как ядерная энергетика. Разумеется, есть и не самая полезная сторона: например, изобретение ядерного оружия.

Наконец, существует так называемое «слабое взаимодействие» — это взаимодействие, которое вызывает взаимные превращения элементарных частиц. Именно слабое взаимодействие определяет радиоактивный распад и термоядерные реакции. Таким образом, существует четыре типа фундаментальных взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое (последние два вида взаимодействий относятся к ядерным взаимодействиям).

Гравитационное взаимодействие считается самым слабым из всех типов взаимодействий. Однако, оно представляет наибольший интерес на сегодняшний день. До недавнего времени не было известно, какая частица отвечает за массу. Менее двух лет назад, эксперименты, проводимые на большом адронном коллайдере подтвердили существование бозона Хиггса. Именно эта частица отвечает за массу тел, а, следовательно, за гравитационное взаимодействие. Существует также гипотечиская частица, которая называется гравитоном, и, согласно одной из гипотез, она является переносчиком гравитационного взаимодействия.

Еще задолго до открытия элементарных частиц, человечество достаточно хорошо изучило гравитационное взаимодействие небесных тел. Но сегодня, ученые все больше убеждаются, что описание гравитационных взаимодействий на микроскопическом уровне не может быть выполнено с помощью классической теории гравитации, подобно тому, как не все процессы описываются с помощью классической механики Ньютона. Описать гравитационное взаимодействие на микроскопическом уровне уже давно пробуют с помощью квантовой теории гравитации, но она ещё до конца не разработана.

Основными направлениями, пытающимися построить квантовую теорию гравитации, являются две теории: это петлевая квантовая гравитация и теория струн.

Петлевая гравитация отстаивает дискретную структуру пространства и времени. То есть, согласно петлевой гравитации, пространство состоит из мельчайших частичек (которые называются квантовыми ячейками). Эти ячейки соединены друг с другом определенным образом, при котором на микроскопическом уровне, они создают дискретную структуру пространства, а на больших масштабах переходят в гладкую непрерывную структуру.

Теория струн гласит, что пространство и время неделимо, и пронизано некими струнами, с помощью которых и происходят все взаимодействия в так называемом, пространственно-временном континуме. Более подробно с такими понятиями вы познакомитесь при изучении теории относительности. На сегодняшний день нет известного человечеству способа проверить хотя бы одну из этих теорий. Вполне возможно, что и та, и другая теория является правильной. Ведь то же самое произошло при изучении природы света: долгое время ученые спорили о том, что же такое свет: электромагнитная волна или поток фотонов? В итоге, приняли корпускулярно-волновой дуализм, который говорит о том, что свет можно рассматривать и как поток частиц, и как волну.

Электромагнитное взаимодействие отличается тем, что заметно проявляется как макроскопическом уровне, так и на микроскопическом.

Именно это взаимодействие обуславливает изменения агрегатного состояния вещества и химические превращения. Также, электромагнитное взаимодействие может определять ряд физических свойств тела. Например, физический размер атома задан через электрическую постоянную и заряд электрона.

Электромагнитные поля играют огромную роль в жизни небесных тел, в частности, нашей планеты Земля. Как вы знаете, Земля обладает магнитным полем, которое, например, защищает нас от солнечного ветра.

Пожалуй, электромагнитные явления наиболее изучены, среди остальных типов фундаментальных явлений. Эти явления мы подробно будем изучать немного позже.

А сейчас давайте рассмотрим сильные и слабые взаимодействия. Сильные взаимодействия происходят внутри ядер атомов. На таких маленьких расстояниях (то есть порядка 10^–15 м), величина сильного взаимодействия между нуклонами становится несоизмеримой, по сравнению с электромагнитным взаимодействием, не говоря уже о гравитационном.

Напомним, что нуклонами называются частицы внутри ядра: протоны и нейтроны. До открытия ядерных сил, ученые долго не могли понять, как ядра атомов остаются стабильными, если протоны, имеющие положительные заряд, должны отталкиваться в результате электромагнитного взаимодействия. Ответ мог быть только один: ядерное взаимодействие значительно сильнее электромагнитного на таких маленьких расстояниях. Именно поэтому, ядерная энергетика получила такое развитие в современном мире: при разрушении ядерных связей выделяется огромное количество энергии. Кроме того, несколько нестабильных нейтронов способны создать цепную реакцию, которая в итоге выльется в колоссальный выброс энергии. Такие реакции называются неуправляемыми ядерными реакциями и используются в военных целях. Разумеется, подобные испытания наносят огромный вред экологии, но есть и полезное применение ядерной физики. Со временем люди научились управлять ядерными реакциями с целью получения полезной энергии. Установки, в которых проходят контролируемые ядерные реакции, называются ядерными реакторами.

Несмотря на то, что человечество с успехом изучило некоторые стороны сильного взаимодействия, чёткой теории о сильном взаимодействии нет. На данный момент, развивающейся и основной теорией, описывающей сильное взаимодействие, является квантовая хромодинамика. Фундаментальная природа сильных взаимодействий в общем и целом понятна, но сопутствующие математические расчеты крайне сложны. Более подробно вы сможете изучить сильное взаимодействие позже.

И, наконец, слабое взаимодействие. Слабые взаимодействия проявляются на еще меньшем расстоянии (порядка 10^–18 м). В этом взаимодействии участвуют все фундаментальные лептоны и кварки. Но самое главное, что слабое взаимодействие является единственным, в котором участвуют нейтрино.

Дело в том, что масса и размер нейтрино крайне малы, и нейтрино является электрически нейтральным. Таким образом, эти частицы обладают огромной проникающей способностью: например, через 1 см² поверхности Земли проходит порядка 60 000 000 000 нейтрино, испущенных Солнцем. Именно слабым взаимодействием обусловлены термоядерные реакции, происходящие внутри звезд. На Солнце происходит так называемый водородный цикл, в результате которого и выделяется столь огромная энергия в течение миллиардов лет.

В этом цикле помимо двух нейтрино, также испускаются и два позитрона. Напомним, что позитрон является античастицой — частицей, «противоположной» электрону. Различные частицы в результате слабого взаимодействия могут обмениваться массами, энергией и электрическим зарядом. Это приводит к тому, что частицы превращаются друг в друга.

Также, как и было сказано в начале, слабое взаимодействие обуславливает радиоактивный распад, с которым вы познакомились в девятом классе. Именно слабое взаимодействие помогло объяснить β-распад. Напомним, что β-распад характеризуется испусканием электрона и антинейтрино из ядра. При этом, один из нейтронов превращается в протон.

Возникает вопрос: откуда электрон и антинейтрино взялись внутри ядра? Только теория слабого взаимодействия помогла понять, что электрон и антинейтрино не находились внутри ядра, а родились в процессе β-распада.