Головна
Банківська справа  |  БЖД  |  Біографії  |  Біологія  |  Біохімія  |  Ботаніка та с/г  |  Будівництво  |  Військова кафедра  |  Географія  |  Геологія  |  Екологія  |  Економіка  |  Етика  |  Журналістика  |  Історія техніки  |  Історія  |  Комунікації  |  Кулінарія  |  Культурологія  |  Література  |  Маркетинг  |  Математика  |  Медицина  |  Менеджмент  |  Мистецтво  |  Моделювання  |  Музика  |  Наука і техніка  |  Педагогіка  |  Підприємництво  |  Політекономія  |  Промисловість  |  Психологія, педагогіка  |  Психологія  |  Радіоелектроніка  |  Реклама  |  Релігія  |  Різне  |  Сексологія  |  Соціологія  |  Спорт  |  Технологія  |  Транспорт  |  Фізика  |  Філософія  |  Фінанси  |  Фінансові науки  |  Хімія

Взаємодії і сили в природі - Математика

Введення

Сучасні досягнення фізики високих енергій все більше зміцнюють уявлення, що різноманіття властивостей Природи обумовлено взаємодіючими елементарними частинками. Дати неформальне визначення елементарної частинки, мабуть, неможливо, оскільки мова йде про самих первинних елементах матерії. На якісному рівні можна говорити, що істинно елементарними частинками називаються фізичні об'єкти, які не мають складових частин.

Очевидно, що питання про елементарності фізичних об'єктів - це в першу чергу питання експериментальний. Наприклад, експериментально встановлено, що молекули, атоми, атомні ядра мають внутрішню структуру, що вказує на наявність складових частин. Тому їх не можна вважати елементарними частинками. Порівняно недавно відкрито, що такі частинки, як мезони і баріони, також володіють внутрішньою структурою і, отже, не є елементарними. У той же час у електрона внутрішня структура ніколи не спостерігалася, і, значить, його можна віднести до елементарних частинок. Іншим прикладом елементарної частинки є квант світла - фотон.

Сучасні експериментальні дані свідчать, що існує тільки чотири якісно різних види взаємодій, в яких беруть участь елементарні частинки. Ці взаємодії називаються фундаментальними, тобто самими основними, вихідними, первинними. Якщо взяти до уваги все різноманіття властивостей навколишнього нас Миру, то здається абсолютно дивовижним, що в Природі є тільки чотири фундаментальні взаємодії, відповідальних за всі явища Природи.

Крім якісних відмінностей, фундаментальні взаємодії відрізняються в кількісному відношенні за силою впливу, яка характеризується терміном інтенсивність. У міру збільшення інтенсивності фундаментальні взаємодії розташовуються в наступному порядку: гравітаційне, слабке, електромагнітне і сильне. Кожне з цих взаємодій характеризується відповідним параметром, званим константою зв'язку, чисельне значення якого визначає інтенсивність взаємодії.

Яким чином фізичні об'єкти здійснюють фундаментальні взаємодії між собою? На якісному рівні відповідь на це питання виглядає наступним чином. Фундаментальні взаємодії переносяться квантами.

При цьому в квантовій області фундаментальних взаємодій відповідають відповідні елементарні частинки, звані елементарними частинками - переносниками взаємодій. У процесі взаємодії фізичний об'єкт випускає частки - переносники взаємодії, які поглинаються іншим фізичним об'єктом. Це веде до того, що об'єкти як би відчувають один одного, їх енергія, характер руху, стан змінюються, тобто вони відчувають взаємний вплив.

У сучасній фізиці високих енергій все більшого значення набуває ідея об'єднання фундаментальних взаємодій. Згідно з ідеями об'єднання, в Природі існує тільки одне єдине фундаментальне взаємодія, виявляючи себе в конкретних ситуаціях як гравітаційне, або як слабке, або як електромагнітне, або як сильне, або як їх деяка комбінація. Успішною реалізацією ідей об'єднання послужило створення стала вже стандартною об'єднаної теорії електромагнітних і слабких взаємодій. Йде робота з розвитку єдиної теорії електромагнітних, слабких і сильних взаємодій, що отримала назву теорії великого об'єднання. Робляться спроби знайти принцип об'єднання всіх чотирьох фундаментальних взаімодействій.Сіла тяжкості

Силою тяжіння називають рівнодіючу двох сил - сили ньютоновского тяжіння всієї масою Землі і відцентрової сили, що виникає внаслідок добового обертання Землі. Віднесені до одиниці маси, ці сили характеризуються ускорениями сили тяжіння g = F / m, ньютоновского тяжіння f = Fн / m і відцентровим P = P / m. Прискорення сили тяжіння дорівнює геометричній сумі прискорення тяжіння і відцентрового прискорення. Зазвичай в гравіметрії, коли говорять "сила тяжіння", мають на увазі саме прискорення сили тяжесті.Гравітаціонное взаємодія

Ця взаємодія носить універсальний характер, в ньому беруть участь всі види матерії, всі об'єкти природи, всі елементарні частинки! Загальноприйнятою класичної (Не квантової) теорією гравітаційної взаємодії є ейнштейнівська загальна теорія відносності. Гравітація визначає рух планет в зоряних системах, відіграє важливу роль у процесах, що протікають в зірках, управляє еволюцією Всесвіту, в земних умовах проявляє себе як сила взаємного тяжіння. Звичайно, ми перерахували тільки невелике число прикладів з величезного списку ефектів гравітації.

Відповідно до загальної теорії відносності, гравітація пов'язана з кривизною простору-часу і описується в термінах так званої ріманової геометрії. В даний час всі експериментальні та спостережні дані про гравітації укладаються в рамки загальної теорії відносності. Проте дані про сильні гравітаційних полях по суті відсутні, тому експериментальні аспекти цієї теорії містять багато питань. Така ситуація породжує появу різних альтернативних теорій гравітації, передбачення яких практично не відрізняються від передбачень загальної теорії відносності для фізичних ефектів в Сонячній системі, але ведуть до інших наслідків в сильних гравітаційних полях.

Якщо знехтувати всіма релятивістськими ефектами і обмежитися слабкими стаціонарними гравітаційними полями, то загальна теорія відносності зводиться до ньютонівської теорії всесвітнього тяжіння. У цьому випадку, як відомо, потенційна енергія взаємодії двох точкових частинок з масами m1 і m2 дається співвідношенням

де r - відстань між частинками, G - ньютонівська гравітаційна стала, яка грає роль константи гравітаційної взаємодії. Дане співвідношення показує, що потенційна енергія взаємодії V (r) відмінна від нуля при будь-якому кінцевому r і спадає до нуля дуже повільно. З цієї причини кажуть, що гравітаційна взаємодія є дальнодії.

З багатьох фізичних передбачень загальної теорії відносності відзначимо три. Теоретично встановлено, що гравітаційні обурення можуть поширюватися в просторі у вигляді хвиль, званих гравітаційними.

Поширюються слабкі гравітаційні обурення в чому аналогічні електромагнітних хвиль. Їх швидкість дорівнює швидкості світла, вони мають два стани поляризації, для них характерні явища інтерференції і дифракції. Однак у силу надзвичайно слабкої взаємодії гравітаційних хвиль з речовиною їх пряме експериментальне спостереження досі не було можливо. Проте дані деяких астрономічних спостережень по втраті енергії в системах подвійних зірок свідчать про можливе існування гравітаційних хвиль в природі.

Теоретичне дослідження умов рівноваги зірок у рамках загальної теорії відносності показує, що при певних умовах досить масивні зірки можуть почати катастрофічно стискатися. Це виявляється можливим на досить пізніх стадіях еволюції зірки, коли внутрішній тиск, обумовлене процесами, відповідальними за світність зірки, не в змозі зрівноважити тиск сил тяжіння, що прагнуть стиснути зірку. В результаті процес стиснення вже нічим не може бути зупинений. Описане фізичне явище, передбачене теоретично в рамках загальної теорії відносності, отримало назву гравітаційного колапсу. Дослідження показали, що якщо радіус зірки стає менше так званого гравітаційного радіуса

Rg = 2GM / c2,

де M - маса зірки, а c - швидкість світла, то для зовнішнього спостерігача зірка гасне. Ніяка інформація про процеси, що йдуть у цій зірці, не може досягти зовнішнього спостерігача. При цьому тіла, падаючі на зірку, вільно перетинають гравітаційний радіус. Якщо в якості такого тіла мається на увазі спостерігач, то нічого, окрім посилення гравітації, він не помітить. Таким чином, виникає область простору, в яку можна потрапити, але з якої нічого не може вийти, включаючи світловий промінь. Подібна область простору називається чорною дірою. Існування чорних дір є одним з теоретичних передбачень загальної теорії відносності, деякі альтернативні теорії гравітації побудовані саме так, що вони забороняють такого типу явища. У зв'язку з цим питання про реальність чорних дір має виключно важливе значення. В даний час є спостережні дані, що свідчать про наявність чорних дір у Всесвіті.

В рамках загальної теорії відносності вперше вдалося сформулювати проблему еволюції Всесвіту. Тим самим Всесвіт в цілому стає предметом спекулятивних міркувань, а об'єктом фізичної науки. Розділ фізики, предметом якого є Всесвіт у цілому, називається космологією. В даний час вважається твердо встановленим, що ми живемо в розширення Всесвіту.

Сучасна картина еволюції Всесвіту грунтується на уявленні про те, що Всесвіт, включаючи такі її атрибути, як простір і час, виникла в результаті особливого фізичного явища, званого Великий Вибух, і з тих пір розширюється. Відповідно до теорії еволюції Всесвіту, відстані між далекими галактиками повинні збільшуватися з часом, і весь Всесвіт повинна бути заповнена тепловим випромінюванням з температурою близько 3 K. Ці передбачення теорії знаходяться в прекрасному відповідності з даними астрономічних спостережень. При цьому оцінки показують, що вік Всесвіту, тобто час, що минув з моменту Великого Вибуху, становить близько 10 млрд років. Що стосується деталей Великого Вибуху, то це явище слабо вивчено і можна говорити про загадку Великого Вибуху як про виклик фізичної науки в цілому. Не виключено, що пояснення механізму Великого Вибуху пов'язано з новими, поки ще невідомими законами Природи. Загальноприйнятий сучасний погляд на можливе рішення проблеми Великого Вибуху ґрунтується на ідеї об'єднання теорії гравітації і квантової механікі.Слабое взаємодія

Ця взаємодія є найбільш слабким з фундаментальних взаємодій, експериментально спостережуваних в розпадах елементарних частинок, де принципово суттєвими є квантові ефекти. Нагадаємо, що квантові прояви гравітаційної взаємодії ніколи не спостерігалися. Слабка взаємодія виділяється за допомогою наступного правила: якщо в процесі взаємодії бере участь елементарна частинка, звана нейтрино (або антинейтрино), то дана взаємодія є слабким.

Слабка взаємодія набагато інтенсивніше гравітаційного.

Слабка взаємодія на відміну від гравітаційного є короткодействующим. Це означає, що слабка взаємодія між частинками починає діяти, тільки якщо частинки знаходяться досить близько один до одного. Якщо ж відстань між частинками перевершує деяку величину, звану характерним радіусом взаємодії, слабка взаємодія не проявляє себе. Експериментально встановлено, що характерний радіус слабкої взаємодії порядку 10-15 см, тобто слабка взаємодія, зосереджений на відстанях менше розмірів атомного ядра.

Чому можна говорити про слабку взаємодію як про незалежну вигляді фундаментальних взаємодій? Відповідь проста. Встановлено, що є процеси перетворень елементарних частинок, які не зводяться до гравітаційних, електромагнітних і сильних взаємодій. Хороший приклад, що показує, що існують три якісно різних взаємодії в ядерних явищах, пов'язаний з радіоактивністю. Експерименти вказують на наявність трьох різних видів радіоактивності: a-, b і g-радіоактивних розпадів. При цьому a-розпад обумовлений сильною взаємодією, g-розпад - електромагнітним. Що залишився b-розпад не може бути пояснений електромагнітним і сильним взаємодіями, і ми змушені прийняти, що є ще одне фундаментальне взаємодія, назване слабким. У загальному випадку необхідність введення слабкої взаємодії обумовлена тим, що в природі відбуваються процеси, в яких електромагнітні та сильні розпади заборонені законами збереження.

Хоча слабка взаємодія істотно зосереджено всередині ядра, воно має певні макроскопічні прояви. Як ми вже відзначали, воно пов'язане з процесом b-радіоактивності. Крім того, слабка взаємодія відіграє важливу роль в так званих термоядерних реакціях, відповідальних за механізм енерговиділення в зірках.

Дивовижні властивості слабкої взаємодії є існування процесів, в яких проявляється дзеркальна асиметрія. На перший погляд здається очевидним, що різниця між поняттями ліве і праве умовна. Дійсно, процеси гравітаційного, електромагнітного і сильної взаємодії інваріантні щодо просторової інверсії, що здійснює дзеркальне відображення. Кажуть, що в таких процесах зберігається просторова парність P. Однак експериментально встановлено, що слабкі процеси можуть протікати з незбереження просторової парності і, отже, як би відчувають різницю між лівим і правим. В даний час є тверді експериментальні докази, що незбереження парності в слабких взаємодіях носить універсальний характер, воно виявляє себе не тільки в розпадах елементарних частинок, але і в ядерних і навіть атомних явищах. Слід визнати, що дзеркальна асиметрія являє собою властивість Природи на самому фундаментальному рівні.

В електромагнітній взаємодії беруть участь всі заряджені тіла, все заряджені елементарні частинки. У цьому сенсі воно досить універсально. Класичною теорією електромагнітного взаємодії є максвеллівська електродинаміка. В якості константи зв'язку приймається заряд електрона e.

Якщо розглянути два покояться точкових заряди q1 і q2, то їх електромагнітне взаємодія зведеться до відомої електростатичної силі. Це означає, що взаємодія є дальнодействия і повільно спадає з ростом відстані між зарядами. Заряджена частка випускає фотон, в силу чого стан її руху змінюється. Інша частинка поглинає цей фотон і також змінює стан свого руху. В результаті частинки як би відчувають наявність один одного. Добре відомо, що електричний заряд є розмірною величиною. Зручно ввести безрозмірну константу зв'язку електромагнітної взаємодії. Для цього треба використовувати фундаментальні постійні і c. В результаті приходимо до наступної безрозмірною константі зв'язку, званої в атомній фізиці постійної тонкої структури

Легко помітити, що дана константа значно перевищує константи гравітаційного і слабкої взаємодій.

З сучасної точки зору електромагнітне і слабке взаємодії являють собою різні сторони єдиного електрослабкої взаємодії. Створена об'єднана теорія електрослабкої взаємодії - теорія Вайнберга-Салама-Глешоу, що пояснює з єдиних позицій всі аспекти електромагнітних і слабких взаємодій. Чи можна зрозуміти на якісному рівні, як відбувається поділ об'єднаного взаємодії на окремі, як би незалежні взаємодії?

Поки характерні енергії досить малі, електромагнітне і слабке взаємодії відокремлені і не впливають один на одного. З ростом енергії починається їх взаємовплив, і при достатньо великих енергіях ці взаємодії зливаються в єдине електрослабкої взаємодія. Характерна енергія об'єднання оцінюється по порядку величини як 102 ГеВ (ГеВ - це скорочене від гігаелектрон-вольт, 1 ГеВ = 109 еВ, 1 еВ = 1.6 · 10-12 ерг = 1.6 · 1019 Дж). Для порівняння зазначимо, що характерна енергія електрона в основному стані атома водню порядку 10-8 ГеВ, характерна енергія зв'язку атомного ядра порядку 10-2 ГеВ, характерна енергія зв'язку твердого тіла порядку 10-10 ГеВ. Таким чином, характерна енергія об'єднання електромагнітних і слабких взаємодій величезна в порівнянні з характерними енергіями в атомній і ядерній фізиці. З цієї причини електромагнітне і слабке взаємодії не проявляють в звичайних фізичних явищах своєї єдиної сущності.Сільное взаємодія

Сильна взаємодія відповідально за стійкість атомних ядер. Оскільки атомні ядра більшості хімічних елементів стабільні, то ясно, що взаємодія, яка утримує їх від розпаду, має бути достатньо сильним. Добре відомо, що ядра складаються з протонів і нейтронів. Щоб позитивно заряджені протони НЕ розлетілися в різні боки, необхідна наявність сил притягання між ними, що перевершують сили електростатичного відштовхування. Саме сильна взаємодія є відповідальним за ці сили тяжіння.

Характерною рисою сильної взаємодії є його зарядова незалежність. Ядерні сили притягання між протонами, між нейтронами і між протоном і нейтроном по суті однакові. Звідси випливає, що з точки зору сильних взаємодій протон і нейтрон не відрізняються і для них використовується єдиний термін нуклон, тобто частка ядра.Заключеніе

Отже, ми зробили огляд основних відомостей, що стосуються чотирьох фундаментальних взаємодій Природи. Коротко описані мікроскопічні і макроскопічні прояви цих взаємодій, картина фізичних явищ, в яких вони відіграють важливу роль.

Скрізь, де це було можливо, ми намагалися простежити тенденцію об'єднання, відзначити спільні риси фундаментальних взаємодій, навести дані про характерні масштабах явищ. Звичайно, що викладається тут матеріал не претендує на повноту розгляду і не містить багатьох важливих деталей, необхідних для систематичного викладу. Детальний опис порушених нами питань вимагає використання всього арсеналу методів сучасної теоретичної фізики високих енергій і виходить за рамки цієї статті, науково-популярної літератури. Нашою метою було виклад загальної картини досягнень сучасної теоретичної фізики високих енергій, тенденції її розвитку. Ми прагнули викликати інтерес читача до самостійного, більш докладного вивчення матеріалу. Звичайно, при такому підході неминучі певні огрублення.

Пропонований список літератури дозволяє більш підготовленому читачеві поглибити своє уявлення про питання, розглянутих у статье.Спісок літератури

1. Окунь Л. Б. Фізика елементарних частинок. М .: Наука, 1984.

2. Новіков І. Д. Як вибухнула Всесвіт. М .: Наука, 1988.

3. Фрідман Д., ван. Ньювенхейзен П. // Успіхи фіз. наук. 1979.

4. Бергман П. Загадка Гравіт
Токелау
Відноситься до категорії малих карликових країн. Найменша карликова країна Океанії. ІКС = 123. Територія: 3 коралових атолу загальною площею 10 кв. км, розташованих в Полінезії. Населення - 1392 чол. (2006 г.), 1405 чол. (2005 г.), його середньорічні темпи приросту в кінці 90-х рр. були

Техніка безпеки при загорянні
Переносити, зберігати ЛЗР у спеціальній небьющейся тарі. Столи повинні бути з теплостійкого матеріалу. Паяльник класти на вогнетривку підставку. Курити в спеціально відведеному місці. Забороняється: Застосування відкритого вогню в майстерні; Мити підлоги та одяг ЛЗР; Захаращувати проходи обладнанням,

Гален
Гален (129 - ок. 200), один з самих славнозвісних древньогрецький лікарів і дослідників. Нерідке Галена, в латинізованій формі, називають Клавдієм Галеном (Claudius Galenus). Народився в Пергаме, важливому центрі эллинистической культури в Малій Азії, розташованому в 75 км північніше Смирні

Борода
У народній традиції борода - ознака мужності, втілення життєвої сили, родючості. Володіє продуцирующей функцією. У звичайному праві - знак зрілості. У той час як у південних і західних слов'ян рано поширилося звичай голити бороду, східні слов'яни, особливо росіяни і білоруси, довго зберігали

Антиповедінка в культурі древній Русі
Б. А. Успенський Успенський Б.А. Ізбранние труди. Т.1. Семиотика історії. Семиотика культури. М., 1994, з. 320-332. Антиповедінка, т. е. зворотна, обернена, перекинена поведінка - інакшими словами, поведінка навпаки, - виключно характерно для культури Древньої Русі, як і взагалі для ієрархічної

Науково-Технічний Прогрес (НТП)
Введення. Науково-технічний і технологічний процес в торгівлі є вивченням механізації і автоматизації товародвижения, аналіз ринку обладнання, підбір, установка і раціональна експлуатація всіх видів торгово-технологічного обладнання. Вивчення засноване на досягненнях науки, техніки і технології,

Сучасні напрямки розвитку систем CtP для малих і середніх підприємств
Системи CtP розвиваються в даний час швидкими темпами. Особливо значним розвитком характеризуються системи CtP для області форматів В1 (707х1000 мм), великих форматів і газетного виробництва. У Німеччині та Швейцарії частка ринку друкованих форм, що виготовляються за технологією CtP, давно

© 2014-2022  8ref.com - українські реферати