Фундаментальные взаимодействия и константы во вселенной

Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

«СИБИРСКИЙ  ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

 

Институт  Управления Бизнес-процессами и Экономики

 

Концепции Современного Естествознания

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

Фундаментальные взаимодействия и константы во вселенной

 

 

 

 

 

 

                                                     Студент:                                          Кузьмина  Т.Е.

                                                                                         

 

                                           Преподаватель:                                    Дубич В.В.

 

 

 

Красноярск 2011

СОДЕРЖАНИЕ

 

        Введение………………………………………………………………………….3

1. Фундаментальные взаимодействия..………………………………………...4
1. Гравитационное взаимодействие………………………………………...4
2. Электромагнитное взаимодействие..……………………………………6
3. Сильное взаимодействие…………………………………………………7
4. Слабое взаимодействие…………………………………………………..8
2. Мировые константы…………………………………………………………10

Заключение………………………………………………………………….…..11

      Список использованных источников….……………………………………...12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Современные достижения физики высоких энергий  все больше укрепляют представление, что многообразие свойств Природы обусловлено взаимодействующими элементарными частицами. Дать неформальное определение элементарной частицы, по-видимому, невозможно, поскольку речь идет о самых первичных элементах материи. На качественном уровне можно говорить, что истинно элементарными частицами называются физические объекты, которые не имеют составных частей. 

 
     Современные экспериментальные  данные свидетельствуют, что существует  только четыре качественно различных  вида взаимодействий, в которых  участвуют элементарные частицы.  Эти взаимодействия называются  фундаментальными, то есть самыми  основными, исходными, первичными. Если принять во внимание все  многообразие свойств окружающего  нас Мира, то кажется совершенно  удивительным, что в Природе есть  только четыре фундаментальных  взаимодействия, ответственных за  все явления Природы. 

 
    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Фундаментальные взаимодействия

 

Фундаментальные взаимодействия - качественно различающиеся типы взаимодействия элементарных частиц и составленных из них тел.

 

На сегодня  достоверно известно существование  четырех фундаментальных взаимодействий:

1. Гравитационного;
2. Электромагнитного;
3. Сильного;
4. 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 существование какого-либо другого типа фундаментального взаимодействия не обнаружено.

 

1.1 Гравитационное взаимодействие

 

 

    Гравитация - универсальное фундаментальное взаимодействие между всеми материальными телами. В приближении малых скоростей и слабого гравитационного взаимодействия описывается теорией тяготения Ньютона, в общем случае описывается общей теорией относительности Эйнштейна.  

Гравитация является самым слабым из четырех типов фундаментальных взаимодействий. В квантовом пределе гравитационное взаимодействие должно описываться квантовой теорией гравитации, которая ещё полностью не разработана. В рамках классической механики гравитационное взаимодействие описывается законом всемирного тяготения Ньютона, который гласит, что сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы m и M, разделёнными расстоянием R, пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния — то есть:

 

Здесь G - гравитационная постоянная, равная примерно 6,6725×10^-11 м³/(кг·с²).

Большие космические объекты - планеты, звезды и галактики имеют огромную массу и, следовательно, создают значительные гравитационные поля.

 

Гравитация - слабейшее взаимодействие. Однако, поскольку оно действует на любых расстояниях, и все массы положительны, это, тем не менее, очень важная сила во Вселенной. В частности, электромагнитное взаимодействие между телами на космических масштабах мало, поскольку полный электрический заряд этих тел равен нулю (вещество в целом электрически нейтрально).

 

Также гравитация, в отличие от других взаимодействий, универсальна в действии на всю материю  и энергию. Не обнаружены объекты, у  которых вообще отсутствовало бы гравитационное взаимодействие.

 

Из-за глобального  характера гравитация ответственна и за такие крупномасштабные эффекты, как структура галактик, черные дыры и расширение Вселенной, и за элементарные астрономические явления - орбиты планет, и за простое притяжение к поверхности Земли и падения тел.

 

Гравитация  была первым взаимодействием, описанным  математической теорией. Аристотель считал, что объекты с разной массой падают с разной скоростью. Только много позже Галилео Галилей экспериментально определил, что это не так - если сопротивление воздуха устраняется, все тела ускоряются одинаково. Закон всеобщего тяготения Исаака Ньютона хорошо описывал общее поведение гравитации. В 1915 году Альберт Эйнштейн создал Общую теорию относительности, более точно описывающую гравитацию в терминах геометрии пространства-времени.

 

1.2 Электромагнитное взаимодействие

 

Электромагнитное  взаимодействие - одно из четырёх фундаментальных взаимодействий. Электромагнитное взаимодействие существует между частицами, обладающими электрическим зарядом. С современной точки зрения электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами осуществляется не прямо, а только посредством электромагнитного поля.

С точки  зрения квантовой теории поля электромагнитное взаимодействие переносится безмассовым бозоном - фотоном (частицей, которую можно представить как квантовое возбуждение электромагнитного поля). Сам фотон электрическим зарядом не обладает, а значит не может непосредственно взаимодействовать с другими фотонами.

 

Из фундаментальных  частиц в электромагнитном взаимодействии участвуют также имеющие электрический  заряд частицы: кварки, электрон, мюон и Тау-лептон (из фермионов), а также заряженные калибровочные   бозоны.

 

Электромагнитное  взаимодействие отличается от слабого и сильного взаимодействия своим дальнодействующим характером - сила взаимодействия между двумя зарядами спадает только как вторая степень расстояния. По такому же закону спадает с расстоянием гравитационное взаимодействие. Электромагнитное взаимодействие заряженных частиц намного сильнее гравитационного, и единственная причина, по которой электромагнитное взаимодействие не проявляется с большой силой на космических масштабах - электрическая нейтральность материи, то есть наличие в каждой области Вселенной с высокой степенью точности равных количеств положительных и отрицательных зарядов.

 

1.3 Сильное взаимодействие

 

 

    Сильное взаимодействие - одно из четырёх фундаментальных взаимодействий в физике. Сильное взаимодействие действует в масштабах атомных ядер и меньше, отвечая за притяжение между нуклонами в ядрах и между кварками в адронах.

 

В сильном  взаимодействии участвуют кварки и глюоны(элементарные частицы, являющиеся причиной взаимодействия кварков, а также косвенно ответственные за соединение протонов и нейтронов в атомном ядре.), а также составленные из них элементарные частицы, называемые адронами.

 

Пион-нуклонное взаимодействие

Необходимость введения понятия сильных взаимодействий возникла в 1930-х годах, когда стало  ясно, что ни явление гравитационного, ни явление электромагнитного взаимодействия не могли ответить на вопрос, что связывает нуклоны в ядрах. В 1935 году японский физик Х. Юкава построил первую количественную теорию взаимодействия нуклонов, происходящего посредством обмена новыми частицами, которые сейчас известны как пи-мезоны (или пионы). Пионы были впоследствии открыты экспериментально в 1947 году.

 

Взаимодействие нуклонов в атомном ядре

На расстояниях  порядка   м величина сильного взаимодействия между нуклонами, составляющими атомное ядро, настолько велика, что позволяет практически не принимать во внимание их электромагнитное взаимодействие (отталкивание). Вообще говоря, взаимодействие нуклонов в ядре не является «элементарным»; скорее оно является таким же неизбежным следствием наличия сильного взаимодействия между частицами, например, составляющими нуклон кварками, как силы Ван-дер-Ваальса — следствием существования электромагнетизма. В хорошем приближении потенциальная функция взаимодействия двух нуклонов описывается выражением:

 

в котором   константа сильного взаимодействия, обычно полагающаяся равной   в «системе констант» фундаментальных взаимодействий, где, например, постоянная электромагнитного взаимодействия равна постоянной тонкой структуры (Такая потенциальная функция называется потенциалом Юкавы.) Модуль этой функции очень быстро убывает и на расстояниях, больших   уже ничтожно мал.

 

 

1.4 Слабое взаимодействие

 

Слабое взаимодействие - одно из четырёх фундаментальных взаимодействий в природе. Оно ответственно, в частности, за бета-распад ядра.

 

Это взаимодействие называется слабым, поскольку два других взаимодействия, значимые для ядерной физики (сильное и электромагнитное), характеризуются значительно большей интенсивностью. Однако оно значительно сильнее четвёртого из фундаментальных взаимодействий, гравитационного. Слабое взаимодействие является короткодействующим - оно проявляется на расстояниях, значительно меньших размера атомного ядра (характерный радиус взаимодействия 10⁻¹⁸ м). Стандартная модель физики элементарных частиц описывает электромагнитное взаимодействие и слабое взаимодействие как разные проявления единого электрослабого взаимодействия, теорию которого разработали Глэшоу, Салам и Вайнберг. За эту работу они получили Нобелевскую премию по физике за 1979 год.

 

В слабом взаимодействии участвуют все фундаментальные фермионы (лептоны и кварки). Это единственное взаимодействие, в котором участвуют нейтрино (не считая гравитации, пренебрежимо малой в лабораторных условиях), чем объясняется колоссальная проникающая способность этих частиц. Слабое взаимодействие позволяет лептонам, кваркам и их античастицам обмениваться энергией, массой, электрическим зарядом и квантовыми числами - то есть превращаться друг в друга.

 

В современной  форме слабое взаимодействие описывается  теорией Вайнберга-Салама - квантовой теорией поля с калибровочной группой SU(2)×U(1) и спонтанно нарушенной симметрией вакуумного состояния, вызванной действием поля бозона Хиггса. Доказательство перенормируемости такой модели Мартинусом Вельтманом и Герардом 'т Хоофтом было отмечено Нобелевской премией по физике за 1999 год.

 

 

 

 

 

 

 

2. Мировые константы

 

Анализ  размерностей физических констант приводит к пониманию того, что они играют очень важную роль в построении отдельных  физических теорий. Однако, если попытаться создать единое теоретическое описание всех физических процессов, т.е., другими  словами, сформулировать унифицированную  научную картину мира от микро - до макроуровня, то главную, определяющую роль должны играть безразмерные, т.е. «истинно» мировые константы. Это и есть константы основных взаимодействий.

 

Константа гравитационного взаимодействия

 

Константа электромагнитного взаимодействия

 

Константа сильного взаимодействия

 

где g - цветовой заряд, причем .

 

Константа слабого взаимодействия

где g ~ 1,4 ×10-62 Дж ×м3 - константа Ферми. Заметим, что  размерную константу гравитационного  взаимодействия получил еще сам И. Ньютон: G ~ 6,67×10-11м3×c2×кг-1 для сил гравитационного взаимодействия

F = G Mm/R².

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Итак, мы сделали обзор основных сведений, касающихся четырех фундаментальных взаимодействий и их констант. Считают,  что все это обуславливает нынешнее строение и существование Вселенной.

 

В целом, можно считать, что многообразие и единство физического мира, его порядок и гармония, предсказуемость и повторяемость формируется и управляется системой фундаментальных взаимодействий и констант.