Какие взаимодействия встречаются в природе? С одной стороны, ответить на этот вопрос нельзя: взаимодействий бесконечно много, каждое взаимодействие можно описывать отдельно, с помощью новой модели.
Но много ли нужно таких моделей? Например, взаимодействие любой нити с грузом мы объединили моделью «сила натяжения» (см. рис. 22).
Рис. 22. Модель «сила натяжения»
Силу натяжения, силу упругости, вес, силу трения можно тоже объединить, найти в них нечто общее. Их причина – межмолекулярное взаимодействие, которое происходит из-за взаимодействия заряженных частиц, из которых состоят атомы (см. рис. 23).
Рис. 23. Межмолекулярное взаимодействие
Оказывается, что любые взаимодействия в природе можно рассматривать как проявления одного из четырёх взаимодействий, которые назвали фундаментальными.
Первый вид взаимодействия – это гравитационное взаимодействие. По-другому его еще называют силой тяготения (см. рис. 24).
Рис. 24. Гравитационное взаимодействие
Это взаимодействие определяется массами тел.
Второй вид взаимодействия – это электромагнитное взаимодействие. Оно часто описывается с помощью двух моделей: электрическое и магнитное взаимодействие (см. рис. 25).
Рис. 25. Электромагнитное взаимодействие
Третий и четвёртый виды – это сильное и слабое взаимодействия. Подробнее о них чуть позже.
Гравитационное взаимодействие более слабое, чем электрическое и сильное, поэтому обычно мы говорим о нём в масштабах космических тел. Мы ощущаем своё притяжение к Земле, ведь Земля обладает огромной массой, но мы не ощущаем своего притяжения, например, к столу, к доске либо к другим телам, массы которых малы по сравнению с массой Земли (см. рис. 26).
Рис. 26. Примеры гравитационного взаимодействия
В электромагнитное взаимодействие вступают тела, обладающие электрическим зарядом (см. рис. 27).
Рис. 27. Взаимодействие электрических зарядов
В состав любого атома входят заряженные частицы: электроны, протоны, которые взаимодействуют посредством электромагнитного поля (см. рис. 28).
Рис. 28. Взаимодействие заряженных частиц в атоме
Именно из-за электромагнитного взаимодействия возникают такие механические силы, как сила трения и сила упругости (см. рис. 29).
Рис. 29. Силы трения и упругости
Эти силы мы рассматриваем в механике (по их проявлению), хотя их природа именно электромагнитная.
К открытию сильного взаимодействия привело решение следующей задачи: учёные задумались, каким же образом протоны, которые заряжены положительно и входят в состав ядра, удерживаются вместе, ведь одноимённо заряженные тела должны отталкиваться. Именно тогда учёные предположили, что протоны в ядре удерживает особый вид взаимодействия. Оно более сильное, чем электромагнитное, раз не даёт заряженным частицам разбежаться, и поэтому получило название «сильное» (см. рис. 30).
Рис. 30. Сильное взаимодействие
Его особенность в том, что сила взаимодействия быстро убывает с расстоянием, поэтому оно наблюдается на очень маленьких расстояниях – порядка размера атомного ядра. Как только мы удаляем протон немного дальше, взаимодействие резко ослабевает (см. рис. 31).
Рис. 31. Сила взаимодействия уменьшается с увеличением расстояния
Итак, сильное взаимодействие обеспечивает сохранность атомного ядра.
И наконец, слабое взаимодействие. Благодаря этому происходят некоторые процессы в мире элементарных частиц, о которых мы поговорим позже (например, бета-распад радиоактивных элементов (см. рис. 32)).
Рис. 32. Пример процесса, в котором проявляется слабое взаимодействие
Итак, в природе наблюдается четыре вида взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. На данный момент не прекращаются попытки объединить четыре модели фундаментальных взаимодействий в одну универсальную. То есть представить гравитацию, электромагнетизм и т. д. как разные проявления одного фундаментального взаимодействия. Кое-что в этом направлении уже удалось сделать: объединить электромагнетизм, сильное и слабое взаимодействие в одну модель. Но пока не удаётся объединить эту модель с моделью гравитации.
|