Взаимодействие структур в микро и макромирах

Взаимодействие структур в микро и макромирах. Многие основополагающие концепции современного естествознания прямо или косвенно связаны с описанием фундаментальных взаимодействий.

Взаимодействие и движение - важнейшие атрибуты материи, без которых невозможно ее существование.

Взаимодействие обусловливает объединение различных материальных объектов в системы, т.е. системную организацию материи. Многие свойства материальных объектов производны от их взаимодействия, являются результатом их структурных связей между собой и взаимодействий с внешней средой. В природе существуют качественно различные системы связанных объектов. Ядра - связанные системы протонов и нейтронов атомы - связанные ядра и электроны макротела - совокупность атомов и молекул Солнечная система - связка планет и массивной звезды галактика - связка звезд. Наличие связанных систем объектов говорит о том, что должно существовать нечто такое, что скрепляет части системы в целое.

Чтобы разрушить систему частично или полностью, нужно затратить энергию. Взаимное влияние частей системы или структурных единиц происходит посредством полей гравитационного, электрического, магнитного и других и характеризуется энергией взаимодействия. В настоящее время принято считать, что любые взаимодействия каких угодно объектов могут быть сведены к ограниченному классу четырех основных фундаментальных взаимодействий сильному, электромагнитному, слабому и гравитационному в том числе и между элементарными частицами. Интенсивность взаимодействия принято характеризовать с помощью так называемой константы взаимодействия, которая представляет собой безразмерный параметр, определяющий вероятность процессов, обусловленных данным видом взаимодействия. 2, с.134 Отношение значений констант дает относительную интенсивность соответствующих взаимодействий табл.2 . Кратко охарактеризуем каждый из этих четырех видов взаимодействий гравитационное, электромагнитное, сильное, слабое. 2, с.134 Гравитационные взаимодействия тяготения. Притяжение тел к Земле, существование Солнечной системы, звездных систем галактик обусловлено взаимодействием сил тяготения, или иначе - гравитационными взаимодействиями.

Эти взаимодействия универсальны, т.е. применимы к любым микро - и макрообъектам. Однако они существенны лишь для тел огромных астрономических масс и для формирования структуры и эволюции Вселенной как целого.

Гравитационные взаимодействия очень быстро ослабевают для объектов с малыми массами и практически не играют роли для ядерных и атомных систем.

Проявления гравитации количественно были изучены одними из первых. Это не случайно, ибо источником гравитации являются массы тел, а дальность гравитационного взаимодействия не ограничена. Константа взаимодействия имеет значение порядка 10-39. Радиус действия не ограничен г Гравитационное взаимодействие является универсальным, ему подвержены все без исключения элементарные частицы.

Однако в процессах микромира гравитационное взаимодействие ощутимой роли не играет. Характеристики видов взаимодействий приведены в табл.2. Электромагнитное взаимодействие связано с электрическими и магнитными полями. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а Магнитное поле - при их движении.

В природе существуют как положительные, так и отрицательные заряды, что и определяет характер электромагнитного взаимодействия. Например, при движении зарядов в зависимости от их знака и направления движения между ними возникает либо притяжение, либо отталкивание. Различные агрегатные состояния вещества, явление трения, упругие и другие свойства вещества определяются преимущественно силами межмолекулярного взаимодействия, которое по своей природе является электромагнитным.

Электромагнитное взаимодействие описывается фундаментальными законами электростатики и электродинамики законом Кулона, законом Ампера и др. Его наиболее общее описание дает электромагнитная теория Максвелла, основанная на фундаментальных уравнениях, связывающих электрическое и магнитное поля. Константа взаимодействия равна 10-3. Радиус действия не ограничен г Сильные ядерные взаимодействия. Наличие в ядрах одинаково заряженных протонов и нейтральных частиц говорит о том, что должны существовать взаимодействия, которые гораздо интенсивнее электромагнитных, ибо иначе ядро не могло образоваться.

Эти взаимодействия их называют сильными, проявляются лишь в пределах ядра. Этот вид взаимодействия обеспечивает связь нуклонов в ядре. Константа сильного взаимодействия имеет величину порядка 1. Наибольшее расстояние, на котором проявляется сильное взаимодействие радиус действия г, составляет примерно 10-13 см. Слабое взаимодействие. Это взаимодействие ответственно за все виды в-распада ядер включая е-захват, за многие распады элементарных частиц, а также за все процессы взаимодействия нейтрино с веществом.

Константа взаимодействия равна по порядку величины 10-15. Слабое взаимодействие, как и сильное, является короткодействующим. Как отмечалось, из большого списка элементарных частиц только электрон, протон, фотон и нейтрино всех типов являются стабильными. Под влиянием внутренних причин нестабильные свободные частицы за те или иные характерные времена превращаются в другие частицы.

Медленные распады с характерным временем 10-10-10-6с происходят за счет так называемого слабого взаимодействия, тогда как быстрый распад 10-16с происходит под влиянием электромагнитных взаимодействий. 2, с.135 Обычно для количественного анализа перечисленных взаимодействий используют две характеристики безразмерную константу взаимодействия, определяющую величину взаимодействия, и сила взаимодействия табл.2 . Таблица 2. Взаимодействие в природе. По данным табл.2 видно, что константа гравитационного взаимодействия самая малая.

Гравитационное взаимодействие в классическом представлении в процессах микромира существенной роли не играет, однако в макропроцессах ему принадлежит определяющая роль Например, движение планет Солнечной системы происходит в строгом соответствии с законами гравитационного взаимодействия. Сильное взаимодействие отвечает за устойчивость ядер и распространяется только в пределах размеров ядра. Чем сильнее взаимодействуют нуклоны в ядре, тем оно устойчивее, тем больше его энергия связи.

Она определяется работой, которую необходимо совершить, чтобы разделить нуклоны и удалить их друг от друга на такие расстояния, при которых взаимодействие становится равным нулю. С возрастанием размера ядра энергия связи уменьшается. Так, ядра элементов, находящихся в конце таблицы Менделеева, неустойчивы и могут распадаться. Такой процесс называется радиоактивным распадом. 2, с.136 . Взаимодействие между атомами и молекулами имеет преимущественно электромагнитную природу. Таким взаимодействием объясняется образование различных агрегатных состояний вещества твердого, жидкого и газообразного.

Например, между молекулами вещества в твердом состоянии взаимодействие в виде притяжения проявляется гораздо сильнее, чем между теми же молекулами в газообразном состоянии. Если рассматривать только элементарные частицы, то интенсивность различных взаимодействий по отношению к сильным распределяется следующим образом сильное 1, электромагнитное 10-3, слабое 10-15, гравитационное 10-39. В вопросах строения и развития мира как целого роль гравитации становится определяющей.

Исследование же конкретных небесных объектов звезд, пульсаров, квазаров и др. невозможно без привлечения всех видов фундаментальных взаимодействий. Несомненно, приведенная классификация взаимодействий отражает современный уровень развития науки. В будущем, возможно, взаимодействия будут либо объединены, либо их останется меньше, если обнаружатся связи между константами взаимодействия. Например, уже удалось описать в рамках единой теории электромагнитное и слабое взаимодействия.

Между константами взаимодействия и характеристиками Вселенной существует какая-то удивительная зависимость. Например, отношение радиуса Метагалактики R 5х1027 см к размерам атома равно отношению электромагнитных и гравитационных сил, действующих между элементарными частицами. 2, с.137 3.