Фізика. 9 клас. Головко

§ 48. Фундаментальні взаємодії в природі

• Види взаємодій та їх прояви

• Характеристика фундаментальних взаємодій

ВИДИ ВЗАЄМОДІЙ ТА ЇХ ПРОЯВИ. У природі одні тіла постійно діють на інші. Так, Земля притягує предмети, розташовані на її поверхні та поблизу, вода, падаючи з висоти, обертає турбіни, вітер змушує рухатися вітрильники, автомобіль перевозить вантажі тощо. Взаємний вплив одних тіл на інші, внаслідок чого відбуваються певні зміни, називають взаємодією.

Але незважаючи на велику різноманітність, діючі в природі сили зводяться до певних фундаментальних взаємодій, завдяки яким відбуваються всі зміни в природі.

У Всесвіті та на планеті Земля, у будь-якій речовині, живих організмах, молекулах і атомах, атомних ядрах і, нарешті, під час взаємних перетворень елементарних частинок спостерігаються чотири види фундаментальних взаємодій, тобто таких, які не можна звести до найпростіших: гравітаційна, електромагнітна, ядерна (або сильна) і слабка (взаємодію елементарних частинок). Відповідно розрізняють чотири типи фундаментальних сил: всесвітнього тяжіння (гравітаційні), електромагнітні, ядерні й слабкі.

Кожна із взаємодій подібна до інших і водночас має власні характерні особливості. Вивчення їх властивостей є головним завданням сучасної фізики.

ХАРАКТЕРИСТИКА ФУНДАМЕНТАЛЬНИХ ВЗАЄМОДІЙ. Фізичні дослідження показують, що сила притягання між протоном та електроном у 10³⁹ разів менше від сили їх електричної взаємодії.

Проте важливою особливістю гравітаційної взаємодії є те, що вона хоча й найслабша із фундаментальних, разом із тим, є універсальною: всі тіла незалежно від їх розмірів та структури притягуються одне до одного. Кожна частинка зазнає дії гравітації і сама є її джерелом. Сила притягання окремого атома незначна, але результуюча (сукупності всіх мікрочастинок тіла) може бути досить великою. Крім того, гравітація — далекодіюча сила природи. Незважаючи на те, що інтенсивність гравітаційної взаємодії зменшується з відстанню, вона поширюється в просторі й проявляється на значно віддалених тілах. В астрономічному масштабі завдяки далекодіючим гравітаційним силам у Всесвіті рухаються планети, утримуються зірки в галактиках, галактики в скупченнях, а скупчення в Метагалактиці. Законами гравітації визначається рух Місяця навколо Землі та Землі навколо Сонця тощо.

Гравітація є причиною земного тяжіння, внаслідок чого предмети падають додолу.

Сила тяжіння є визначальною у світі космічних тіл. Вона існує на всіх планетах Сонячної системи і на Місяці — природному супутнику Землі, де її величина набагато менша, тому що маса Землі значно більша за масу Місяця. У межах класичної механіки припускається, що будь-яка зміна положення тіла в просторі призводить до миттєвої зміни створюваного ним поля, тобто взаємодія поширюється з нескінченною швидкістю.

Найбільш вивченою є електромагнітна взаємодія. Вона обумовлює більшість природних явищ навколишнього світу. Зокрема, забезпечує притягання негативно заряджених електронів до позитивно заряджених ядер, стабільність атомів і молекул. Її проявом є також поширення світла як потоку частинок. За величиною електричні сили значно перевершують гравітаційні, тому їх порівняно легко безпосередньо спостерігати (полярні сяйва, спалахи блискавки та ін.).

Електричні взаємодії також є значно більшими за гравітаційні, тому, їх теж легко безпосередньо спостерігати. Наприклад, ебонітова паличка, потерта об хутро, притягує дрібні шматочки паперу значно сильніше, ніж їх притягує земля.

Впродовж тривалого часу електричні й магнітні процеси вивчалися незалежно один від одного. Вирішальний крок у пізнанні електромагнетизму було здійснено у середині XIX ст. Дж. К. Максвеллом, який об’єднав електрику й магнетизм у єдину теорію електромагнетизму — першу теорію поля. Проте не всі матеріальні частинки є носіями електричного заряду, а отже, не всі тіла можуть брати участь у електромагнітній взаємодії. У цьому й полягає основна відмінність електрики від гравітації — усі матеріальні тіла створюють гравітаційне поле, тоді як електромагнітне — пов’язане лише із зарядженими частинками.

Електромагнітна взаємодія, так само, як і гравітаційна є далекодіючою. Вона проявляється як на макро-, так і на макрорівнях, але відмінна тим, що зумовлюється не будь-якими частинками, а лише зарядженими. Електромагнітна взаємодія визначає структуру атомів і пояснює багато фізичних і хімічних явищ та процесів (за винятком ядерних). До неї зводяться сили пружності, тертя, поверхневого натягу. Вона впливає на агрегатні стани речовини, оптичні явища та ін.

Після відкриття нуклонів — протонів та нейтронів, фізики визначили, що вони утримуються в атомному ядрі силами, відмінними від електромагнітних та гравітаційних. Протони, з яких складаються ядра, заряджені однаково, тому має існувати сила, яка протидіє їх відштовхуванню. Дослідження ядерних реакцій показали, що деякі процеси відбуваються швидко (близько 10^-23 с), а інші — порівняно довше (близько 10^-10 с). Тож у світі ядер й елементарних частинок існують дві різні взаємодії, які назвали сильною та слабкою.

Першу теорію сильної взаємодії побудував Хідекі Юкава в 1935 р. Згідно неї, радіус сильної взаємодії обмежено відстанню порядку розмірів атомного ядра (приблизно 10^-13 см). За сучасними уявленнями сильна взаємодія є взаємодією між кварками, з яких складаються нуклони. Сильна взаємодія є джерелом величезної енергії. Найхарактерніший приклад енергії, що вивільняється під час сильної взаємодії, — процеси на Сонці, у надрах якого безупинно протікають термоядерні реакції. Хоча за величиною сильна взаємодія істотно перевершує інші фундаментальні взаємодії, поза межами ядра вона не відчувається. Така взаємодія здійснюється лише між «важкими» частинками, з яких складається ядро атома.

Слабка взаємодія — одна з чотирьох фундаментальних фізичних взаємодій. Найвідомішим її проявом є бета-розпад і пов’язане з ним явище радіоактивності. Взаємодія названа слабкою, оскільки напруженість її поля в 10¹³ разів менша, ніж у полів, що утримують ядерні частинки (нуклони і кварки), і в 10¹⁰ разів — за кулонівську, проте значно сильніша, ніж гравітаційна. Взаємодія має короткий радіус дії і проявляється лише на відстанях порядку розміру атомного ядра.

Слабкою взаємодією описуються ті процеси ядерної фізики, які відбуваються відносно повільно. Наприклад, період напіврозпаду нейтрона становить близько 16 хв — вічність порівняно з ядерними процесами, час перебігу яких становить 10^-23 с.

Першу теорію слабкої взаємодії розробив Енріко Фермі у 1930 р. Із моменту побудови Дж. Максвеллом теорії електромагнітного поля її створення стало значним кроком на шляху до побудови єдиної фізичної картини світу.

СТВОРЕННЯ ЄДИНОЇ ТЕОРІЇ ВЗАЄМОДІЙ. З погляду сучасної фізики, існують дві основні форми матерії — речовина і поле. Єдність світу проявляється у взаємозв’язку природних явищ, взаємних перетворень форм матерії і руху, а також в об’єктивності фундаментальних законів природи (збереження енергії, імпульсу, електричного заряду, взаємозв’язку маси й енергії та ін.). Саме тому фізики прагнуть створити єдину теорію взаємодій.

Існує думка, що всі взаємодії є явищами однієї природи і можна створити їх єдиний теоретичний опис. Перспектива створення єдиної теорії світу фізичних елементів (на основі універсальної фундаментальної взаємодії) залишається дуже привабливою для фізиків.

У другій половині XX ст. з’явилися передумови її здійснення. Важливий крок на шляху до єдиної теорії було зроблено в 60—70-х роках XX ст., коли спочатку було створено теорію кварків, а згодом вченими А. Саламом і С. Вайнбергом теорію електрослабкої взаємодії, у якій об’єднуються електромагнетизм і слабкі сили. У 1973 р. було запропоновано теорію сильної взаємодії (квантова хромодинаміка). На основі цих відкриттів побудовано Стандартну модель елементарних частинок, що описує електромагнітну, слабку і сильну взаємодії.

Є підстави вважати, що фізика стоїть на порозі найвизначнішого в історії природничої науки відкриття — теорії всіх фундаментальних взаємодій.

! Головне в цьому параграфі

Фундаментальні взаємодії — це такі взаємодії, що не зводяться одна до одної. Сьогодні відомі чотири фундаментальні взаємодії: гравітаційна, електромагнітна, сильна та слабка.

За зростанням інтенсивності фундаментальні взаємодії розташовують таким чином: гравітаційна, слабка, електромагнітна і сильна.

У межах класичної механіки гравітаційна взаємодія описується законом всесвітнього тяжіння І. Ньютона.

Електромагнітна взаємодія створюється силами, що діють між електрично зарядженими частинками і відіграють вирішальну роль в утворенні молекул, хімічних сполук, кристалів тощо. Електромагнітна взаємодія пов’язана з електричними і магнітними полями.

Сильна взаємодія забезпечує зв’язок протонів та нейтронів у ядрі атома та утримує кванти всередині нуклонів.

Слабка взаємодія є частиною стандартної моделі, згідно з якою елементарні частинки є «будівельними блоками» Всесвіту. Однією з таких частинок є кварк.

Перспективним напрямом сучасного природознавства є створення єдиної теорії всіх фундаментальних взаємодій.

? Запитання для самоперевірки

• 1. Що називають взаємодією? Які види взаємодій існують у природі?
• 2. Які взаємодії називають фундаментальними?
• 3. Чому гравітація справляє універсальну дію на матерію Всесвіту?
• 4. Чим відрізняються гравітаційна й електромагнітна взаємодії?
• 5. Чи можуть два фізичних тіла взаємодіяти, якщо вони не дотикаються безпосередньо одне до одного? Наведіть приклади.
• 6. Яка взаємодія забезпечує вивільнення атомної енергії?
• 7. Чому ядерні сили назвали слабкими взаємодіями?