Все события, происходящие в Природе, совершаются в результате сил, источниками которых является взаимное влияние друг на друга частиц материи. Такое влияние осуществляется четырьмя способами. Рассмотрим их кратко.
В XX в была разработана квантовая механика, одна из основных идей которой состоит в том, что все взаимодействия в Природе происходят только определенными «шагами», «порциями», которые называются квантами. И суть любого взаимодействия заключается в переносе квантов энергии между частицами материи. Разница между взаимодействиями объясняется различием квантов-переносчиков.
Виды фундаментальных взаимодействий
Всего в Природе существуют четыре вида фундаментальных взаимодействий.
Гравитационное взаимодействие
С силами гравитации человек был знаком всегда. Изначально сила притяжения приписывалась исключительно Земле. Однако, с развитием науки было открыто притяжение между небесными телами, а в XVIIв И. Ньютон распространил действие гравитации на любые объекты, имеющие массу.
Из-за малой величины силы гравитации трудно поддаются изучению. Например, гравитационная постоянная была измерена лишь в самом конце XVIIIв. По этой же причине возникают сложности с разработкой квантовой теории гравитации в настоящее время. Только уже в XXIв были зарегистрированы гравитационные волны, предсказанные теорией. Частица-переносчик гравитации – гравитон – также пока остается гипотетической.
Можно указать лишь некоторые свойства гравитонов. В частности, гравитоны не имеют массы, и движутся со скоростью света. Поэтому радиус действия гравитационного поля бесконечен, а его интенсивность убывает пропорционально квадрату расстояния.
Электромагнитное взаимодействие
С проявлением электромагнетизма человечество также было знакомо с древности. Однако, первоначально к этому взаимодействию были отнесены лишь явления электризации и природного электричества. Развитие теории электродинамики показало, что абсолютное большинство сил, окружающих нас, имеют под собой именно электромагнитную природу, поскольку большинство элементарных частиц обладают электрическим зарядом.
Частицей-переносчиком электромагнитного взаимодействия является фотон, не имеющий массы и движущийся со скоростью света. То есть, радиус действия электромагнитных сил также бесконечен, а интенсивность убывает пропорционально квадрату расстояния.
Сильное взаимодействие
Открытие сложного состава атомного ядра поставило вопрос о силе, удерживающей рядом положительно заряженные протоны. Гравитационные силы в ядре пренебрежительно малы, а электромагнитное взаимодействие должно разрушать ядро. Следовательно, существует взаимодействие, не являющееся ни гравитационным, ни электромагнитным, которое и удерживает положительные протоны рядом. Такое взаимодействие было названо ядерным или «сильным» (действительно, оно в сто раз более мощное, чем электромагнитное).
Переносчиками сильного взаимодействия являются особые кванты – глюоны. Однако, в отличие от фотонов, глюоны, во-первых, обладают массой, а во-вторых – сами участвуют в сильном взаимодействии, и сами способны взаимодействовать друг с другом.
Это приводит к двум важным следствиям. Во-первых, глюоны не дают сами себе уходить далеко от источника, радиус сильного взаимодействия имеет порядок $10^{-15}$м. Во-вторых, кварки, частицы, из которых сложены протоны и нейтроны (нуклоны), также не могут удалиться друг от друга.
Слабое взаимодействие
Для объяснения радиоактивного распада было предположено (а потом доказано) существование четвертого взаимодействия, суть которого, как и в других, состоит в обмене частицей-переносчиком (ее назвали W-бозоном) между кварками внутри элементарной частицы. Пример слабого взаимодействия – внутри нейтрона d-кварк превращается в u-кварк с испусканием W-бозона. Последний распадается на электрон и антинейтрино. Нейтрон превращается в протон, а электрон и антинейтрино – вылетают из ядра.
Большая масса W-бозона определила очень малый радиус слабого взаимодействия ($10^{-18}$м) а также отсутствие связанных систем «притяжения» между частицами.
Что мы узнали?
В Природе существует четыре фундаментальных взаимодействия. Гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Фундаментальное взаимодействие заключается в обмене между частицами материи квантом-переносчиком взаимодействия. У каждого взаимодействия имеется свой квант, свойства которого определяют характер взаимодействия.
