17. Понятие фундаментального физического взаимодействия.

В своей повседневной жизни человек сталкивается с множеством сил, действующих на тела: сила ветра или потока воды; давление воздуха; мощный выброс взрывающихся химических веществ; мускульная сила человека; вес предметов; давление квантов света; притяжение и отталкивание электрических зарядов; сейсмические волны, вызывающие подчас катастрофические разрушения; вулканические извержения, приводившие к гибели цивили-

349

заций, и т.д. Одни силы действуют непосредственно при контакте с телом, другие, например гравитация, действуют на расстоянии, через пространство. Но, как выяснилось в результате развития естествознания, несмотря на столь большое разнообразие, все действующие в природе силы можно свести к четырем фундаментальным взаимодействиям.

В порядке возрастания интенсивности эти фундаментальные взаимодействия представляются следующим образом: гравитационное взаимодействие; слабое взаимодействие; электромагнитное взаимодействие; сильное взаимодействие. Именно эти взаимодействия в конечном счете отвечают за все изменения в природе, именно они являются источником всех преобразований материальных тел, процессов. Каждое из четырех фундаментальных взаимодействий имеет сходство с тремя остальными и в то же время свои отличия.

Прежде всего следует сказать о том, что является общим для этих фундаментальных взаимодействий. Иначе говоря: как понимает современная физика сущность взаимодействия? Как уже отмечалось, еще в середине XIX в. с созданием теории электромагнитного поля выяснилось, что передача взаимодействия осуществляется не мгновенно (принцип дальнодействия), а с конечной скоростью посредством некоторого посредника — непрерывно распределенного в пространстве поля (принцип близкодействия). Скорость распространения электромагнитного поля равна скорости света (см. 8.1.4).

Однако уже в первой четверти XX в., с появлением квантовой механики значительно углубилось представление о физическом поле. В свете квантово-волнового дуализма любое поле является не непрерывным, а имеет дискретную структуру, ему должны соответствовать определенные частицы, кванты этого поля. Например, квантами электромагнитного поля являются фотоны. Когда заряженные частицы обмениваются между собой фотонами, это приводит к появлению электромагнитного поля. Фотоны и являются переносчиками электромагнитного взаимодействия.

Аналогичным образом и другие виды фундаментальных взаимодействий имеют свои поля и соответствующие частицы, переносящие это полевое взаимодействие. Изучение конкретных свойств, закономерностей этих полей и частиц — носителей фундаментальных взаимодействий — главная задача современной физики.

18. пространство и время Изначально в доньютоновский период пространство считалось бесконечным, плоским, «прямолинейным», евклидовым. Его метрические свойства описывались геометрией Евклида. Оно рассматривалось как абсолютное, пустое, однородное и изотропное (т.е. не имело выделенных точек и направлений) и выступало в качестве «вместилища» материальных тел, как независимая от них интегральная система. Время понималось абсолютным, однородным, равномерно текущим. Оно идет сразу и везде во всей Вселенной «единообразно синхронно» и выступает как независимый от материалистических объектов процесс длительности. Ньютон в своих трудах окончательно оформил и сформулировал концепцию о внешних условиях бытия, в которые помещена материя, концепцию абсолютного пространства и времени, в которой время и пространство уже было абсолютным и относительным, однако по-прежнему, пространство и время представлялись самодовлеющими элементами бытия, существующими вне и независимо от материальных процессов. Также параллельно развивались представления о пространстве и времени в зависимость от сознания человека. По Эйнштейну, учение которого исходило из основ, заложенных Галилеем, пространство и время не просто сосуществуют, но и теснейшим образом взаимодействуют друг с другом. Представления о пространстве и времени, формулирующиеся в теории относительности Эйнштейна, на сегодняшний день являются наиболее последовательными. Долгое время они являлись макроскопическими, так как опирались на опыт исследования макроскопических объектов, больших расстояний и больших промежутков времени. Однако в последнее время появились практические примеры доказательства в виде мезонов, возникающих при столкновении частиц первичного космического излучения с ядрами атомов на Земле. При построении теорий, описывающих явления микромира, классическая геометрическая картина, предполагающая непрерывность пространства и времени (пространственно-временной континуум), была перенесена на новую область без каких-либо изменений. Экспериментальных данных, противоречащих применению теории относительности в микромире, пока нет, что доказывается опытами с ультрарелятивистскими частицами на современных ускорителях. Но само развитие квантовых теорий, возможно, потребует пересмотра представлений о физическом пространстве и времени. Современные представления об эволюции пространства-времени основываются на стандартной космологической модели Большого взрыва, которая подтверждается наблюдаемым в настоящую эпоху расширением нашей Вселенной. Согласно Эйнштейну пространство и время могут причудливо искривляться, образуя много путей, соединяющих разнесенные в пространстве и времени точки-события. В этом случае оперируют понятиями, характерными для т.н. пространственно-временной пены - это чёрные дыры и кротовые норы. Последние исследования в этой области открывают необозримые возможности для исследователей.