Какими свойствами обладают силы взаимодействия
Представьте себе, что вы поднимаете гирю, действуя на нее рукой с некоторой силой Fгр, направленной вверх (рис. 89). В этом случае вы почувствуете, что гиря тоже действует на вашу руку. При этом гиря будет тянуть вашу руку вниз с силой Fрг.
Индексы «г» (гиря) и «р» (рука) в записи Fгр означают, что эта сила действует на гирю (первый индекс) со стороны руки (второй индекс). Соответственно индексы «р» и «г» в записи силы Fрг означают, что эта сила действует на руку (первый индекс) со стороны гири (второй индекс). Такую систему обозначения сил взаимодействия двух тел мы будем использовать и в дальнейшем.
Оказывается, силы в природе всегда возникают парами. Если первое тело действует на второе, то второе тело действует на первое. Таким образом, действие двух тел друг на друга всегда имеет взаимный характер. При этом говорят, что два тела взаимодействуют друг с другом. Отметим, что силы взаимодействия приложены к разным телам.
Эти силы подчиняются конкретным правилам, которые Ньютон сформулировал в виде фундаментального закона природы. В настоящее время этот закон называют третьим законом Ньютона.
Два тела взаимодействуют друг с другом с силами:
1) равными по модулю;
2) противоположными по направлению;
3) лежащими на одной прямой.
Строго говоря, в третьем законе Ньютона также сказано, что силы взаимодействия двух тел всегда являются силами одной природы. Но об этом мы поговорим с вами позднее, когда изучим виды существующих в природе сих.
Подчеркнем еще раз, что силы, о которых говорится в третьем законе Ньютона, приложены к равным телам, т. е. к телам, которые взаимодействуют друг с другом. Поэтому эти силы не могут уравновесить друг друга.
Силы взаимодействия двух тел приложены к разным телам и поэтому не уравновешивают друг друга.
Обратим внимание на то, что, в отличие от второго закона Ньютона, в котором речь идет об одном теле, в третьем законе речь идет о двух взаимодействующих друг с другом телах.
Применим третий закон Ньютона к силам, изображенным на рис. 89.
В соответствии с первым пунктом |Fрг| = |Fгр|. То есть модуль силы, с которой на руку действует гиря, равен модулю силы, с которой на гирю действует рука.
В соответствии со вторым пунктом Fгр = -Fрг. Действительно, сила Fгр, с которой рука действует на гирю, направлена вверх, а сила Fрг, с которой гиря действует на руку, направлена в противоположную сторону – вниз.
Как вы уже знаете, два тела могут взаимодействовать друг с другом не только при касании, но и на расстоянии. Например, кусок железа и магнит (рис. 90), расположенные на разных тележках, притягиваются друг к другу. При этом силы их взаимодействия удовлетворяют третьему закону Ньютона: они равны по модулю, противоположны по направлению и лежат на одной прямой.
Со временем мы убедимся в том, что с помощью второго и третьего законов Ньютона можно вывести большинство законов механики и решать практически все механические задачи. Уже в следующей главе, посвященной видам сил в механике, вы увидите, насколько эффективно использование законов Ньютона.
Поясним, как надо использовать законы Ньютона при решении задач, на следующем простом примере.
На рис. 91 изображен локомотив, толкающий перед собой вагон массой m = 40 т по горизонтальному участку железнодорожного пути. В результате действия локомотива вагон движется по рельсам с ускорением, модуль которого |a| = 1 м/с2. Найдем силу Fлв, действующую на локомотив со стороны вагона, считая, что в горизонтальном направлении других действий на вагон нет.
Решение. Выберем систему отсчета, связанную с рельсами: направим ось X по ходу движения локомотива. Поскольку рельсы неподвижны относительно Земли, связанную с ними систему отсчета можно считать инерциальной. Будем считать вагон и локомотив точечными телами. Направление ускорения вагона совпадает с положительным направлением оси X. Поэтому значение a этого ускорения положительно, а значение Fвл силы, действующей на вагон со стороны локомотива, согласно второму закону Ньютона удовлетворяет соотношению m · a = Fвл. Следовательно,
Fвл = m · a = 40000 кг · 1 м/с2 = 40 кН.
Теперь можно определить силу Fлв, действующую на локомотив со стороны вагона. Согласно третьему закону Ньютона модуль этой силы равен найденному нами значению Fвл. Направлена же сила Fлв противоположно силе Fвл, т. е. противоположно направлению ускорения a вагона.
Итоги
Если первое тело действует на второе, то второе тело при этом действует на первое. Про такие тела говорят, что они взаимодействуют друг с другом.
Третий закон Ньютона.
Два тела взаимодействуют друг с другом с силами:
1) равными по модулю;
2) противоположными по направлению;
3) лежащими на одной прямой.
Кратко этот закон может быть записан в виде: F12 = -F21, где F12 – сила, действующая на первое тело со стороны второго тела, F21 – сила, действующая на второе тело со стороны первого.
Силы, о которых говорится в третьем законе Ньютона, приложены к разным телам, т. е. к телам, которые взаимодействуют друг с другом. Поэтому эти силы не могут уравновешивать друг друга.
Вопросы
- Приведите примеры взаимодействующих тел.
- Сформулируйте третий закон Ньютона.
- Какими свойствами обладают силы взаимодействия?
- Могут ли силы взаимодействия уравновесить друг друга?
- Чему равна сумма сил взаимодействия двух тел?
Упражнения
- Определите силу (модуль и направление), с которой давит на спинку сиденья водитель массой m = 80 кг, если его автомобиль разгоняется по прямолинейному горизонтальному участку дороги с ускорением a = 4 м/с2. Считайте, что в горизонтальном направлении на водителя действует только спинка сиденья.
- Определите, с какой силой действует на ремень безопасности водитель массой m = 100 кг, если после нажатия на педаль тормоза его автомобиль сбрасывает скорость от 108 км/ч до нуля за 6 с на прямолинейном горизонтальном участке дороги. Считайте, что в горизонтальном направлении на водителя действует только ремень безопасности.
Астрономия для любителей →
Квантовая физика и Вселенная →
Виды взаимодействий
Взаимодействие является универсальной характеристикой различных систем, структур и наук. Многие природные объекты, материальные и нематериальные явления невозможно объяснить без взаимодействия, иначе взаимного действия, воздействия, влияния, которое оказывают объекты друг на друга. Основной причиной движения материи также является взаимодействие. Как и движение, категория взаимодействия универсальна.
В науке принято выделять четыре не сводящихся друг к другу вида взаимодействий. Это гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. В физике причиной изменения движения тел является сила. Исследуя окружающий нас мир, мы можем заметить множество разнообразных сил: сила тяжести, сила сжатия пружины, сила, возникающая при столкновении тел, сила трения и другие. Однако, когда была выяснена атомарная структура вещества, стало понятно, что все разнообразие этих сил есть результат взаимодействия атомов друг с другом. Поскольку атомы взаимодействуют через электростатическое поле электронных оболочек, то, как оказалось, все эти силы — лишь различные проявления электромагнитного взаимодействия. Действительно, представим себе два сталкивающихся бильярдных шара. Всегда слышится звук удара, но что при этом происходит. Всего навсего взаимодействовали электронные оболочки атомов.
Единственное исключение из этого многообразия сил — сила тяжести, причиной которой является гравитационное взаимодействие между двумя массивными телами. Чтобы понять, что представляют собой два оставшихся взаимодействия, нужно чуть лучше познакомиться с миром элементарных частиц.
Заглянем внутрь атомного ядра. Ядро состоит из двух видом элементарных частиц – протонов и нейтронов. Протоны – положительно заряженные элементарные частицы, довольно тяжелые (почти в 2000 раз тяжелее электрона). Нейтроны не имеют электрического заряда, еще чуть более тяжелые, чем протоны. Знание точных показателей массы и зарядов протонов и нейтронов дает возможность понять, что ядра атомов не смогли бы существовать только при наличии гравитационного и электрического взаимодействия. Сто лет назад именно такое положение вещей навело ученых на мысль о существовании еще одного типа взаимодействия – сильного.
Как оказалось позднее, и сильного взаимодействия недостаточно для описания всех процессов, происходящих в микромире. Необходимо было существование еще одного слабого взаимодействия. Для того чтобы понять, что представляют собой все эти виды взаимодействий проведем их сравнительную характеристику.
Гравитационное взаимодействие
В гравитационном взаимодействии участвуют все тела, обладающие массой, вне зависимости от их природы. Гравитационные силы являются лишь силами притяжения, так как все тела обладают положительной массой (за исключением темной энергии). Это взаимодействие определяется фундаментальным законом всемирного тяготения. Гравитационные силы убывают пропорционально квадрату расстояния между взаимодействующими телами. Закон всемирного тяготения Ньютона описывается формулой:
, где G — гравитационная постоянная.
Гравитационное взаимодействие определяет падание тел под действием силы тяготения Земли, а также движение планет в Солнечной системе, движение галактик во Вселенной и т.д.
То есть гравитация играет решающую роль лишь в Мегамире, в космических пространствах. На Земле же гравитационное взаимодействие самое слабое, поэтому в теории элементарных частиц оно вовсе не учитывается (10-13 см).
Электромагнитное взаимодействие
Электромагнитное взаимодействие очень похоже на гравитационное. Отличие лишь в том, что у нас есть как положительные, так и отрицательные заряды, отсюда и возникновение как электрических, так и магнитных полей. Электромагнитное взаимодействие более сильное, чем гравитационное из-за большей константы связи (заряды в один кулон притягиваются сильнее, чем массы в один килограмм).
Данное взаимодействие позволяет электронам и атомным ядрам объединяться в атомы, атомам – в молекулы, а значит такое взаимодействие является основным в химических и биологических процессах. Без электромагнитного взаимодействия не было бы ни молекул, ни тепла, ни света, ни других макрообъектов. Законы Кулона, Ампера и электромагнитная теория Максвелла объясняет и описывает электромагнитное взаимодействие. Оно является основой создания самых разных радиоприемников, компьютеров, телевизоров и других электроприборов.
Электромагнитное взаимодействие в тысячу раз слабее сильно, но зато более дальнодействующее.
Сильное взаимодействие
Иначе этот вид взаимодействия называют ядерным, судя по названию оно самое сильное из всех представленных. Такое взаимодействия происходит на уровне атомных ядер. Ядерные силы – это один из видов проявления сильного взаимодействия. Это взаимодействие было открыто в 1911 году Э. Резерфордом практически одновременно с открытием ядра атома. Сильное взаимодействие передается с помощью глюонов, а протон и нейтрон теряют свои заряды и рассматриваются в сильном взаимодействии как нуклоны.
Ядра атомов являются очень устойчивыми системами, которые тяжело разрушить именно благодаря сильному взаимодействию частиц внутри атома. Без такого взаимодействия не смогли бы существовать атомные ядра, Солнце не смогло бы генерировать теплоту и свет без ядерных реакций, которые тоже возможно только благодаря сильному взаимодействию.
Слабое взаимодействие
Такой вид взаимодействия является короткодействующим, проявляется на очень малых расстояниях (10-15– 10-22 см.). При слабом взаимодействии процессы между частицами протекают медленнее, благодаря нему большинство известных нам частиц нестабильно. Слабое взаимодействие связано с распадом частиц, в частности, с превращениями протона в нейтрон, позитрон и нейтрино, которые происходит в ядре. Переносчиками слабого взаимодействия являются вионы. Слабое взаимодействие – особый вид не контактного взаимодействия, связь осуществляется с помощью обмена промежуточными тяжелыми частицами — бозонами.
Из-за наличия данного вида взаимодействия возможно совершение ядерных реакций внутри Солнца, а значит, Солнце светит и дарит нам тепло именно благодаря слабому взаимодействию. Возникновение новых звезд также возможно из-за слабого взаимодействия.
Сила слабого и сильного взаимодействия очень быстро убывает с расстоянием. Так, например, в достаточно большом атомном ядре (например, уран) сила притяжения нуклонов находящихся на диаметрально противоположных концах ядра очень мала. Именно поэтому ядро урана нестабильно и подвержено самопроизвольному распаду. На достаточно малых расстояниях сила сильного взаимодействия превосходит силу электромагнитного. Это делает стабильными такие атомные ядра как литий натрий и т.п.
Аналогично электромагнитному заряду существует слабый заряд и сильный заряд. Поскольку на макроскопических расстояниях (сравнимых с размерами самих атомов и больше) это силы не действуют, то такие заряды приписываются только элементарным частицам. Элементарные частицы, обладающие сильным зарядом, называются барионами, к ним относятся, например, нуклоны — протон и нейтрон. Соответственно все они участвуют в сильном взаимодействии. Электрон и ряд других частиц не обладают таким зарядом и не участвуют в сильном взаимодействии. В слабом взаимодействии участвуют все частицы.
Существуют такие частицы, которые участвуют только в слабом и гравитационном взаимодействии – это нейтрино. Из-за такой особенности их очень тяжело обнаружить в эксперименте.
Таким образом, описанными выше четырьмя видами взаимодействиями определяется то, как взаимодействуют все известные объекты: от элементарных частиц до звезд и галактик. Например, сильное и слабое взаимодействия полностью определяют время жизни всех элементарных частиц, а гравитация – движение звезд и планет. Однако, пока еще не все процессы во Вселенной удается объяснить, и потому продолжаются поиски новых типов взаимодействий.
Автор статьи: Михаил Карневский
Обновлено Татьяна Сидорова 29.03.2018
Перепечатка без активной ссылки запрещена!
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 12 июня 2020;
проверки требует 1 правка.
Фундамента́льные взаимоде́йствия — качественно различающиеся типы взаимодействия элементарных частиц и составленных из них тел.
На сегодня достоверно известно существование четырёх фундаментальных взаимодействий (не считая поля Хиггса):
- гравитационного;
- электромагнитного;
- сильного;
- слабого.
При этом электромагнитное и слабое взаимодействия являются проявлениями единого электрослабого взаимодействия.
Ведутся поиски других типов фундаментальных взаимодействий, как в явлениях микромира, так и в космических масштабах, однако пока какого-либо другого типа фундаментального взаимодействия не обнаружено (см. Пятая сила).
В теориях Великого объединения предполагается существование электроядерного взаимодействия. Также, возможно, нарушение CP-инвариантности вызывается сверхслабым взаимодействием.
Единственной гипотезой о количестве фундаментальных физических взаимодействий — почему в природе именно то количество взаимодействий, которое предполагают существующими — была высказана лишь относительно недавно в МГУ. Предполагается, что количество фундаментальных взаимодействий зависит от вида коэффициента затухания в рассматриваемых уравнениях колебаний. При этом некоммутативная структура этого коэффициента свидетельствует в пользу существования поля Хиггса в качестве фундаментального взаимодействия[1].
Сводная таблица[править | править код]
История[править | править код]
Ньютон в своём втором законе (1687 г.[3]) постулировал, что причиной изменения движения тел является сила. Физикам было известно множество самых разнообразных сил: сила тяжести, сила натяжения нити, сила сжатия пружины, сила столкновения тел, сила трения, сила сопротивления воздуха, сила взрыва и т. д.
Исследования XVIII—XIX веков привели к открытию атомарной структуры вещества, и стало понятно, что все разнообразие этих сил есть результат взаимодействия атомов друг с другом. Поскольку основной вид межатомного взаимодействия — электромагнитное, то, как оказалось, большинство этих сил — лишь различные проявления электромагнитного взаимодействия. Одно из исключений составляет, например, сила тяжести, причиной которой является гравитационное взаимодействие между телами, обладающими массой.
Таким образом, к началу XX века выяснилось, что все известные к тому моменту силы сводятся к двум фундаментальным взаимодействиям: электромагнитному и гравитационному.
В 1930-е годы физики обнаружили, что ядра атомов состоят из нуклонов (протонов и нейтронов). Стало понятно, что ни электромагнитные, ни гравитационные взаимодействия не могут объяснить, что удерживает нуклоны в ядре. Было постулировано существование нового фундаментального взаимодействия: сильного взаимодействия. Однако в дальнейшем оказалось, что и этого недостаточно, чтобы объяснить некоторые явления в микромире. В частности, было непонятно, что заставляет распадаться свободный нейтрон. Тогда было постулировано существование слабого взаимодействия, и этого оказалось достаточно для описания всех до сих пор наблюдавшихся явлений в микромире.
После открытия бозона Хиггса поле Хиггса стали иногда называть пятым фундаментальным взаимодействием[4].
Создание единой теории фундаментальных взаимодействий[править | править код]
Первой из теорий взаимодействий стала теория электромагнетизма, созданная Максвеллом в 1863 году. Затем в 1915 году Эйнштейн сформулировал общую теорию относительности, описывающую гравитационное поле. Появилась идея построения единой теории фундаментальных взаимодействий (которых на тот момент было известно только два), подобно тому как Максвеллу удалось создать общее описание электрических и магнитных явлений. Такая единая теория объединила бы гравитацию и электромагнетизм в качестве частных проявлений некоего единого взаимодействия.
В течение первой половины XX века ряд физиков предприняли многочисленные попытки создания такой теории, однако ни одной полностью удовлетворительной модели выдвинуто не было. Это, в частности, связано с тем, что общая теория относительности и теория электромагнетизма различны по своей сути. Тяготение описывается искривлением пространства-времени, и в этом смысле гравитационное поле условно нематериально (эмпирически недискретно), но, как и прочие формы взаимодействия, распространяется с предельно допустимой скоростью света (см. Скорость гравитации), в то время как электромагнитное поле являет все необходимые атрибуты материи.
Во второй половине XX столетия задача построения единой теории осложнилась необходимостью внесения в неё слабого и сильного взаимодействий, а также необходимостью квантования теории.
В 1967 году Саламом и Вайнбергом была создана теория электрослабого взаимодействия, объединившая электромагнетизм и слабые взаимодействия. Позднее в 1973 году была предложена теория сильного взаимодействия (квантовая хромодинамика). На их основе была построена Стандартная модель элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабые и сильное взаимодействия.
Экспериментальная проверка Стандартной модели заключается в обнаружении предсказанных ею частиц и их свойств. В настоящий момент открыты все элементарные частицы Стандартной модели.
Таким образом, в настоящее время фундаментальные взаимодействия описываются двумя общепринятыми теориями: общей теорией относительности и Стандартной моделью. Их объединения пока достичь не удалось из-за трудностей создания квантовой теории гравитации. Для дальнейшего объединения фундаментальных взаимодействий используются различные подходы: теории струн, петлевая квантовая гравитация, а также М-теория.
См. также[править | править код]
- Нерешённые проблемы современной физики
- Пятая сила
- Теории Великого объединения
- Исключительно простая теория всего
- Единая теория поля
- Стандартная модель
- Сильное взаимодействие
- Электрослабое взаимодействие
- Слабое взаимодействие
- Гравитация
- Люди: Исаак Ньютон, Джеймс Максвелл, Альберт Эйнштейн, Хидэки Юкава, Ричард Фейнман, Марри Гелл-Ман, Нисидзима, Шелдон Глешоу, Абдус Салам, Стивен Вайнберг, Герард ‘т Хоофт, Дэвид Гросс, Эдвард Виттен, Говард Джорджи.