2. Гравитационное взаимодействие.

3. Электромагнитное взаимодействие.

4. Сильное и слабое взаимодействие.

Решающее значение гравитационное взаимодействие имеет в космических масштабах. Радиус его действия не ограничен.

Гравитационная сила (сила тяжести) придает ускорение 9,8 м/с² телам, свободно падающим у поверхности Земли. Эта сила действует на Земле, но вполне разумно возникает вопрос: является ли Земля тем единственным местом, где существует сила тяжести, или же эта сила действует во всей Вселенной?

Аналогичный вопрос возник и у Ньютона, но он не располагал средствами для выяснения, в какой мере универсально тяготение, по крайней мере, за пределами Солнечной системы. Поэтому Ньютон выбрал для изучения систему Земля-Луна. Он предположил, что сила, удерживающая Луну на ее орбите около Земли, - это та же сила, которая притягивает тела вблизи поверхности Земли.

Ньютон предположил, что гравитационная сила, подобна освещенности, ослабевает пропорционально квадрату расстояния. Поэтому если Луна находится от центра Земли в 60 раз дальше, чем тело на поверхности Земли, то гравитационная сила и тем самым ускорение для Луны должны быть в (6о)² раз меньше, т.е. в 3600 раз.

Как раз такое значение и имеет отношение g/a_ц , где g- ускорение свободного падения у поверхности Земли; а_ц - центростремительное ускорение Луны.

Хотя рассчитанное и наблюдаемое значение совпали, подтверждая тем самым гипотезу Ньютона, нужно обратить внимание на два обстоятельства.

1. Ньютон принял, что гравитационная сила обратно пропорциональна квадрату расстояния между взаимодействующими телами. Это предположение дало правильный результат для системы Земля-Луна, планет- спутников Солнца и двойных звезд. Пока не удалось найти ни одного исключения из этого закона.

2. При сопоставлении значения центростремительного ускорения (а_ц) Луны со значением g оба расстояния отсчитывались от центра Земли. Когда Ньютон проводил свои вычисления (в 1666 году), он не смог обосновать выбор точки отсчета и воздержался тогда от опубликования им результатов.

Ньютоновский закон всемирного тяготения увидел свет только в 1687 году, после того, как Ньютон разработал математический аппарат (дифференциальное исчисление), позволившей ему обосновать сделанные ранее вычисления. С помощью этого аппарата Ньютону удалось доказать, что если массу каждого из двух однородных тел сферической формы считать сосредоточенной в центре тела, то тела будут притягиваться друг к другу с силой, меняющейся по закону 1/r². Этот важный результат явился ключом к закону тяготения: он позволил проводить все расчеты гравитационных сил, принимая, что массы тел сферической формы - а такова форма Земля и Луны, - сосредоточены в их центрах.

ЗАКОН ВСЕМИРНОГО ТЯГОТЕНИЯ.

Результат, полученный Ньютоном, выражается следующим законом: гравитационная сила, с которой притягиваются друг к другу две частицы (или два тела сферической формы), обратно пропорционально квадрату расстояния между их центрами и прямо пропорционально произведению их масс.

F= G · m₁ · m₂ / r², где

множитель пропорциональности G называется гравитационной постоянной. Значение G равно:

G= 6,673 · 10^-11 Н· м² / кг².

Если тела имеют столь большие размеры, что их уже нельзя рассматривать как точечные частицы, или же они не имеют сферической формы, то выражение для силы притяжения принимает более сложный вид, для вывода которого приходится считать тела состоящими из большого числа точечных частиц.

Физике 18-го века было известно только гравитационное взаимодействие. По закону всемирного тяготения, сформулированному Ньютоном в книге « Математические начала натуральной философии» (1687 г.), две материальные частицы притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Коэффициент пропорциональности G называется гравитационной постоянной. Числовое значение этого коэффициента было впервые определено Г.Кавендишем (1731-1810) в 1798 году по измерению силы притяжения двух массивных шаров.

Согласно современным данным G=6,6745·10^-11м³/кг·с². Гравитационные силы действуют на все объекты Вселенной, от галактик до элементарных частиц.

Ньютоновская теория тяготения явилась величайшим достижением естествознания. Она позволила с большей точностью описать обширный круг явлений: движение тел Солнечной системы, поведение галактик, звездных скоплений, предсказать существование таких планет, как Нептун и Плутон.

Отметим, что современные представления о Вселенной и микромире позволяют утверждать, что гравитационная постоянная является универсальной, фундаментальной величиной, ее значение одинаково во всех доступных для наблюдения точках Вселенной. Именно это значение определяет фундаментальное гравитационное взаимодействие.

Согласно закону всемирного тяготения, сила зависит только от взаимного положения тел в данный момент времени, т.е. гравитационное взаимодействие распространяется мгновенно.

Сегодня мы знаем, что это не так. Скорость распространения любого взаимодействия не может превышать скорости света.

При создании общей теории относительности А.Эйнштейн предположил, что гравитационные массы могут отталкиваться, причем эффект отталкивания будет проявляться в масштабах Вселенной:

F_косм. ~ L·R·M

сила космологического отталкивания F_(косм) пропорциональна расстоянию R между взаимодействующими массами и массе М отталкиваемого тела (но никак не связана с массой отталкивающего тела !).

По оценкам постоянная L, определяющая отталкивание, будет в 10²⁵ раз слабее гравитационного притяжения. Для двух галактик с массами 10⁴¹ кг, находящихся на расстоянии 10²²м (около 10 млн. световых лет) гравитационное притяжение и космологическое отталкивание будут примерно равны. Существует ли такое, определяющее крупномасштабную структуру Вселенной, взаимодействие? Фактов, доказывающих это, нет. Как нет и фактов, отвергающих возможность его существования.

Простейшие электрические и магнитные явления были известны в древние времена - янтарь, потертый о шерсть, притягивал легкие предметы, куски железной руды притягивали железо и друг друга. НО только в 1600 году У.Гильберт впервые разграничил электрические и магнитные явления. В 17 веке появилось понятие электрического заряда. Закон, определяющий силу, с которой взаимодействуют неподвижные точечные заряды, был сформулирован в 1773 году (результаты опубликованы лишь в 1779 г.) Г.Кавендишем (1731-1810) и в 1785 году Шарлем Кулоном (1736-1806) и носит название закона Кулона.

В соответствии с этим законом два точечных заряда Q, расположенные на расстоянии R друг от друга, взаимодействуют с силой F:

5. F = 1/4πε · Q₁·Q₂/ r²

При этом направление действия силы (притяжение или отталкивание) зависит от такой характеристики взаимодействующих зарядов, как знак (положительный или отрицательный). Разноименные заряды притягиваются, а одноименные отталкиваются.

Сила электрического взаимодействия зависит от универсальной постоянной – заряда электрона. Электрон, открытый в 1897 году Дж.Дж.Томсоном (1856-1940), является материальной частицей, носителем наименьшей массы и наименьшего электрического заряда в природе. Действительно, заряды Q , входящие в формулу силы (см. выше), кратны заряду электрона. Интенсивность электромагнитного воздействия зависит от так называемой постоянной тонкой структуры e² / hc = 1/ 137. Три фундаментальные постоянные - скорость света с, постоянная Планка h и заряд электрона е связаны друг с другом!

Магнитные силы порождаются движением электрических зарядов, электрическими токами. Это стало ясно после фундаментального открытия в 1820 году датского Физика Х.Эрстеда(1777-1851), выявившего действие электрического тока на магнитную стрелку. В том же году А.Ампер (1775-1836) открыл закон взаимодействия электрических токов. Мы знаем, что любой магнит имеет два полюса (условно называемые северным и южным).

Однако существуют теории, показывающие возможность полной симметрии электрического (покоящиеся электрические заряды) и магнитостатического (покоящиеся магнитные заряды) взаимодействий. Магнитного заряда (так называемого монополя) не обнаружено.

Ускоренно движущиеся заряженные частицы отдают энергию в виде электромагнитного излучения. Электромагнитное излучение, имеющие длины волн от 400 до 800 нм, воспринимается нами как видимый свет (границы этого диапазона индивидуальны, слегка различаются для разных людей). Телевизионные станции вещают в диапазоне метровых и дециметровых волн. Рентгеновские лучи имеют длины волн менее 500 нм.

Электромагнитное воздействие определяет структуру и поведение атомов, отвечает за связи между молекулами (т.е. определяет химические и биологические процессы).

Если гравитационное и электромагнитное взаимодействия являются дальнодействующими, распространяющимися на всю Вселенную, то слабое и сильное взаимодействия проявляются только в пределах атомного ядра и являются короткодействующими.

Частицы, входящие в состав атомного ядра, протоны и нейтроны (обобщающее название – нуклоны), удерживаются ядерными силами. Природа этих сил стала ясна относительно недавно. Японский физик Х.Юкава (1907-1981) в 1935 году для объяснения сильного взаимодействия нуклонов предложил теорию мезонного поля, основанную на обмене нуклонов мезонами (имеющими массу, равную массе 273 электронов, обнаружены в 1947 году).

В отличие от электромагнитных сил, ядерные силы очень быстро уменьшаются с расстоянием между нуклонами. Но на расстояниях меньше или порядка 10^-15 м эти силы значительно превышают электромагнитные. Этим и объясняется малый размер ядра (~10^-15 м) по сравнению с размером атома (~10^-10 м). Ядерные силы притягивают друг к другу нуклоны на расстояниях не превышающих 10^-15м. Силы электромагнитного взаимодействия оказываются существенными на расстояниях превышающих 10^-10 м. Сильные взаимодействия определяют течение ядерных реакций, особенно – термоядерного синтеза.

Слабое взаимодействие ответственно за многие ядерные процессы, например такие, как превращение нейтронов в протоны. Основные свойства слабого взаимодействия стали известны еще в 1931 году благодаря, преимущественно, работам Э.Ферми. Именно из-за слабого взаимодействия свободный нейтрон может существовать не более 10 минут и распадается на протон, электрон и антинейтрино с выделением некоторой энергии, 1 млн.эВ. Напомним, что 1эВ (электрон-вольт) равен энергии, которую имеет электрон, ускоренный разностью потенциалов 1В.

Видно, что перечень известных на настоящий момент взаимодействий не всегда был таким. Гравитационное воздействие открыто в 17 веке, электромагнитное-в 19 веке. Слабое и сильное - в середине 20 века. И не ясно, исчерпываются ли ими все взаимодействия в природе.

Если элементарные частицы и их взаимодействия являются действительно фундаментальными, они должны объяснять наблюдаемые явления не только микромира, но и макромира. Насколько это известно сегодня поведение звезд и галактик описывается теми же физическими законами, что и поведение элементарных частиц. Своими корнями уходят в физику и химию, и биологию.

При изучении самых простых явлений физики пытаются найти и выделить закономерности и общие правила, выявить области применения правил, применить их к более сложным (или иным) системам.

Так можно перейти от механического упорядоченного движения к хаотическому (тепловому). От него - к микроструктуре вещества. Таким образом, огромная и сложная Вселенная представляется в виде совокупности элементарных частиц, взаимодействующих только четырьмя возможными способами и подчиняющихся небольшому количеству фундаментальных законов.

Окружающий нас мир, все существующее вокруг нас и обнаруживаемое с помощью ощущений представляет собой материю. По определению В.И.Ленина, материя - философская категория для обозначения объективной реальности, отображаемой нашими ощущениями и существующей независимо от них. Это определение может не быть исчерпывающим. Но на сегодняшний день его отражает описываемое понятие. В классических представлениях в естествознании различают два вида материи - вещество и поле.

Что такое поле? Поле определяется через силы, действующие на некоторый пробный объект (заряд, массу), помещенный в данную точку пространства. Пространство непрерывно. В каждой его точке эта сила имеет вполне определенное значение, считающееся характеристикой поля. При этом переход от точки к точке непрерывный и плавный. Важным свойством поля является непрерывность его характеристик. Именно непрерывность позволяет эффективно применять математические методы для описания физических характеристик разнообразных объектов.

К настоящему времени известно несколько типов физических полей, соответствующих типам взаимодействий - электромагнитное и гравитационное поле, поле ядерных сил, волновые поля элементарных частиц.

Мы говорили о взаимодействиях, не задав принципиальный вопрос: «Каким образом одно из взаимодействующих тел «чувствует» присутствие другого?”

Долгое время считали, что взаимодействие между телами осуществляется непосредственно через пустое пространство, не принимающее участие в передаче взаимодействия. При этом передача взаимодействия происходит мгновенно. Это предположение составляет сущность концепции дальнодействия, составлявшую основу классической физики до конца 19 века.

Экспериментальные исследования электромагнитных явлений (самых удобных и доступных для изучения) показали, что изменение положения одной из заряженных частиц не ведет к мгновенному изменению положения ( и действующих на нее сил) другой. Т.е. существует некая среда, передающая взаимодействие. Эта среда получила название электромагнитного поля. Скорость распространения электромагнитного поля равна скорости света в пустоте. Это и составляет сущность концепции близкодействия, имеющее отношение и к другим физическим полям.

Современные представления дают основания к веществу и полю добавить третий вид материи – физический вакуум.

В неживой природе открывают все новые и новые субатомные частицы, многие детали их поведения остаются неясными. Где предел дробления вещества и существует ли он?

Что такое физический вакуум? Пустота? Но Пустота – это когда ничего нет. А такое ничего?

С точки зрения техники,вакуум – это состояние газа, когда длина пробега молекул между последовательными столкновениями становится меньше характерных размеров сосуда, т.е., возможна передача энергии не от молекулы к молекуле, а от одной стенки сосуда к другой. Именно поэтому пористые вещества – поролон, обожженная глина, вата и т.п. являются хорошими теплоизоляторами. В абсолютно пустом сосуде (достичь такого состояния невозможно) остается поле, и, оказывается, в физическом вакууме могут вертикально, за некоторый промежуток времени, рождаться пары – частица и античастица, электрон и позитрон.

При этом выполняются, в общем, законы сохранения. Как исследовать эти состояния? На сколько виртуальные частицы отличаются от реальных? - Это проблемы современного естествознания.

Мы практически нечего не знаем о происхождении Вселенной. Мало что знаем о Земле. Об особенностях формирования климата, внутреннем строении, составе пород. Почему мир именно таков, каково будущее этого мира?

В живой природе круг неясного еще шире. Как формируется из неживого -1 живое? Как работает клетка? Почему различаются симметрии живой и неживой природы?

Неживая природа симметрична, а живая - асимметрична.

Бесконечная цепь вопросов. Разрешение одних ведет к появлению новых.

Детерминизм и причины современной физике. динамические и статические законы.