 |
ФИЗИКА ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ, ИЛИ НЕОДОЛИМОЕ ПРИТЯЖЕНИЕ К МОРОЖЕНОМУ.
Физика (от древне-греческого "природа") - это наука, занимающаяся изучением вещественной, не живой стороны окружающего нас мира, того как она устроена и согласно каким законам изменяется. Я не случайно сказал про вещественную сторону мира: хотя, разумеется, законам физики подчинена и вся живая природа, данная наука исследует настолько общие, основополагающие закономерности нашей вселенной, что на уровне её основных интересов живые объекты отсутствуют. Такие наиболее общие закономерности, или, как говорят физики, взаимодействия, определяющие строение и развитие мира, называются фундаментальными. В настоящее время известно всего четыре фундаментальных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Что же они их себя представляют? Давай разберёмся!
Итак. Начнём с гравитационного взаимодействия. Само его название "гравитация", происходящее от латинского слова gravitas - "тяжесть", предполагает что-то очень основательное, можно даже сказать, всеобъемлющее. Так оно и есть, ибо гравитация ответственна за взаимное притяжение всех предметов в нашем мире друг к другу. Нет-нет, в твоём неодолимом притяжении к мороженому оно точно неповинно! Но когда ты вдруг на всём бегу, споткнувшись, падаешь на землю, разбив при этом в кровь колени и локти - то вот это, как раз, и есть печальный результат твоего гравитационного взаимодействия с землёй. Но не расстраивайся! Ведь ссадины непременно заживут, а вот если бы не было гравитации, то не было бы и того привычного мира, в котором мы все живём. Без гравитационного взаимодействия никогда бы не зажглись звёзды (в том числе и наше Солнце), не образовались бы планеты, и вся вселенная выглядела бы совсем иначе, чем сейчас, если она, вообще, смогла бы возникнуть. Видишь, насколько важно гравитационное взаимодействие? Впрочем, оно ничуть не важнее, чем три других оставшихся взаимодействия.
Ну хорошо, что такое гравитация мы теперь знаем. А за что же отвечает электромагнитное взаимодействие?.. Даже не знаю с чего и начать. А всё потому, что электромагнитное взаимодействие - великий лицедей! На что бы ты не посмотрел, на что бы не обратил своё внимание, почти наверняка это имеет отношение к данному виду взаимодействия. Вот едет по дороге машина, летит в небе самолёт, ты играешь с ребятами в футбол, увлечённо гоняя мяч ногами. Встречный ветер мягкими, упругими руками хватает тебя за одежду и не даёт бежать. Ты слышишь возбуждённые крики своих товарищей, гул самолёта, шум автомобиля и звонок твоего сотового телефона, доносящийся из кармана. Казалось бы, ну что у всего этого может быть общего? Ведь всё это вызвано проявлением самых различных сил: сил, придающих импульс движения объектам, силы трения, силы сжатия, силы электричества в твоём телефоне, силы сопротивления воздуха и силы вызвавшей и распространившей звуковую волну. А ведь это только некоторые из них! Так что же их всех объединяет? Ты, наверное, уже и сам догадался. Конечно же, это атомарная структура вещества! Ведь всё разнообразие этих сил есть результат взаимодействия атомов друг с другом. Поскольку атомы взаимодействуют в основном через электростатическое поле электронных оболочек, то, это означает, что все эти силы — лишь различные проявления электромагнитного взаимодействия.
Ну, раз уж мы с тобой дошли до атомов, то в самое время поговорить о сильном взаимодействии. Данное взаимодействие - самое сильное и самое короткодействующее из всех четырех фундаментальных взаимодействий. Проявляет оно себя лишь в масштабах атомных ядер. Как ты, наверное, уже знаешь, всё вокруг состоит из атомов. Из них состоят и неживые объекты и любые живые существа, в том числе и ты сам. Сами же атомы, в свою очередь, образованы из ещё более маленьких частиц - протонов (имеющих положительный электрический заряд +1), нейтронов (электрически нейтральных) и электронов (у которых электрический заряд отрицательный -1). Протоны и нейтроны образуют ядро атома, а электроны, которые их окружают, распределены на огромном удалении от него и в пределах очень большой области (по сравнению с размерами самого атомного ядра). Так вот, протоны и нейтроны, у которых есть общее имя - нуклоны, удерживаются вместе в атомном ядре, как раз за счёт сильного взаимодействия. На самом деле, с атомами, а точнее, с их ядрами, всё обстоит даже ещё сложнее, поскольку протоны и нейтроны - хотя и самые известные из их обитателей, но далеко не единственные. Помимо них, в атомных ядрах существуют ещё сотни других элементарных цастиц, также являющихся их родственниками. Вот только время их жизни настолько мало, что не идёт ни в какое сравнение со временем жизни тех же самых нуклонов. Ты не успеешь даже подумать об этих частицах, как их, за это мгновение, возникнет и распадётся неисчислимое множество! И вот, несмотря на то, что они, на первый взгляд, столь непохожи на солидные, стабильные нуклоны, физики объединяют их с последними, под общим названием адроны (что, в переводе с греческого означает "сильный" или "большой"; так физики называют все элементарные частицы, существующие внутри атомного ядра). Почему же они так поступают? А всё дело в том, что все адроны состоят из ещё более маленьких частиц - кварков. Тут надо сказать, что найти частицы ещё меньшие, чем эти самые кварки, то есть такие, из которых бы, в свою очередь, состояли они сами, пока так и не удалось. Поэтому принято считать, что, на настоящий момент времени, кварки и есть те самые наименьшие кирпичики мироздания, из которых, наряду с лептонами (элементарными частицами, не участвующими во внутриядерных взаимодействиях) и построено всё многообразие нашей Вселенной (Рис. 1).
Всего кварков - шесть, и они, следует заметить, - очень необычное семейство частиц. Одни только их названия чего стоят! Истинный, красивый, странный, очарованный. Нет-нет, это не художественный эпитеты, как ты мог подумать, так называются четыре из шести кварков. У двух остальных названия, может быть, и не столь поэтические, но тоже довольно необычные: один из них известен, как верхний, или протонный, а другой - нижний, или нейтронный. Эти "имена" кварков называются их ароматом (flavor), или же типом. Они отражают совокупность свойств (или квантовых чисел, как говорят физики) этих частиц (Рис 2).
Наряду с теми, что звучат вполне по-научному, каждый из кварков обладает ещё и такими свойствами, как, например, странность, очарование, красота (прелесть), а также ещё и цвет (color) (он может быть красным, синим или зеленым). Ну разве не удивительно? Конечно, к настоящим цветам и ароматам, эти их свойства никакого отношения не имеют. Названия эти условные, и сложились они чисто исторически. Кроме того, у каждого их этих шести кварков есть ещё его антипод - антикварк, свойства которого по своему значению точно такие же, как и у обычного кварка, но только некотрые из них имеют противоположный знак. Однако этим необычность кварков отнюдь не исчерпывается. Ко всем прочим их странностям несомненно следует добавить их дробный электрический заряд: - 1/3 или + 2/3 заряда электрона или протона, а также ни с чем не сравнимую привязанность друг к другу, поскольку, как установила данная теория (квантовая хромодинамика), сами по себе, по отдельности, кварки не существуют: они всегда пребывают только внутри адронной частицы и только в связанном с кем-либо ещё из членов своей семьи состоянии. Эта их особенность получила название "пленение" или "заточение" кварков. Видишь, насколько всё интересно и как запутанно? И всей этой квантовой кухней как раз и заправляет сильное взаимодействие. Это оно удерживает кварки внутри элементарных частиц. И делает оно это за счёт обмена между ними другими особыми частицами — глюонами.
Итак, нам осталось с тобой рассмотреть самое последнее взаимодействие - слабое. Ты, верно, спросишь, почему же его так назвали? Ну, во-первых, оно, действительно, гораздо слабее, чем сильное и электромагнитное. К тому же обусловленные им процессы имеют меньшие вероятности и, следовательно, протекают медленнее. Ну а во-вторых, из более-менее заметных природных процессов, за которые оно ответственно, можно назвать лишь бета-распад нейтрона. Ты часто с ним сталкиваешься? Лично я - нет. Вероятно, подобная "малозначительность" данного взаимодействия, также повлияло на его название. Тем не менее, считать всерьёз, слабое взаимодействие не имеющим большого значения, было бы большой ошибкой. Ведь помимо того, что это взаимодействие позволяет лептонам, кваркам и их античастицам обмениваться энергией, массой, электрическим зарядом и квантовыми числами — то есть превращаться друг в друга, оно ещё ответственно и за то, что наше Солнце до сих пор не погасло. А всё потому, что именно процессы, связанные со слабым взаимодействием, открывают путь к ядерным реакциям, в результате которых наше светило и дарит нам свет и тепло.
Что ж. Вот мы с тобой и закончили рассмотрение того, что составляет основу интересов физики. Разумеется, рассказать обо всём, что физику интересует, за такое короткое время просто невозможно. Ведь данная наука - воистину вездесуща! Она требуется везде: и в астрономии, и в геологии, и биологии, и в химии, и в материаловедении. Одним словом, куда не посмотри - всюду она нужна! Да и как же иначе? Ведь физика - это естественный мост между абстрактным миром математики и нашим, обычным миром живой и неживой природы.
Итак. Начнём с гравитационного взаимодействия. Само его название "гравитация", происходящее от латинского слова gravitas - "тяжесть", предполагает что-то очень основательное, можно даже сказать, всеобъемлющее. Так оно и есть, ибо гравитация ответственна за взаимное притяжение всех предметов в нашем мире друг к другу. Нет-нет, в твоём неодолимом притяжении к мороженому оно точно неповинно! Но когда ты вдруг на всём бегу, споткнувшись, падаешь на землю, разбив при этом в кровь колени и локти - то вот это, как раз, и есть печальный результат твоего гравитационного взаимодействия с землёй. Но не расстраивайся! Ведь ссадины непременно заживут, а вот если бы не было гравитации, то не было бы и того привычного мира, в котором мы все живём. Без гравитационного взаимодействия никогда бы не зажглись звёзды (в том числе и наше Солнце), не образовались бы планеты, и вся вселенная выглядела бы совсем иначе, чем сейчас, если она, вообще, смогла бы возникнуть. Видишь, насколько важно гравитационное взаимодействие? Впрочем, оно ничуть не важнее, чем три других оставшихся взаимодействия.
Ну хорошо, что такое гравитация мы теперь знаем. А за что же отвечает электромагнитное взаимодействие?.. Даже не знаю с чего и начать. А всё потому, что электромагнитное взаимодействие - великий лицедей! На что бы ты не посмотрел, на что бы не обратил своё внимание, почти наверняка это имеет отношение к данному виду взаимодействия. Вот едет по дороге машина, летит в небе самолёт, ты играешь с ребятами в футбол, увлечённо гоняя мяч ногами. Встречный ветер мягкими, упругими руками хватает тебя за одежду и не даёт бежать. Ты слышишь возбуждённые крики своих товарищей, гул самолёта, шум автомобиля и звонок твоего сотового телефона, доносящийся из кармана. Казалось бы, ну что у всего этого может быть общего? Ведь всё это вызвано проявлением самых различных сил: сил, придающих импульс движения объектам, силы трения, силы сжатия, силы электричества в твоём телефоне, силы сопротивления воздуха и силы вызвавшей и распространившей звуковую волну. А ведь это только некоторые из них! Так что же их всех объединяет? Ты, наверное, уже и сам догадался. Конечно же, это атомарная структура вещества! Ведь всё разнообразие этих сил есть результат взаимодействия атомов друг с другом. Поскольку атомы взаимодействуют в основном через электростатическое поле электронных оболочек, то, это означает, что все эти силы — лишь различные проявления электромагнитного взаимодействия.
Ну, раз уж мы с тобой дошли до атомов, то в самое время поговорить о сильном взаимодействии. Данное взаимодействие - самое сильное и самое короткодействующее из всех четырех фундаментальных взаимодействий. Проявляет оно себя лишь в масштабах атомных ядер. Как ты, наверное, уже знаешь, всё вокруг состоит из атомов. Из них состоят и неживые объекты и любые живые существа, в том числе и ты сам. Сами же атомы, в свою очередь, образованы из ещё более маленьких частиц - протонов (имеющих положительный электрический заряд +1), нейтронов (электрически нейтральных) и электронов (у которых электрический заряд отрицательный -1). Протоны и нейтроны образуют ядро атома, а электроны, которые их окружают, распределены на огромном удалении от него и в пределах очень большой области (по сравнению с размерами самого атомного ядра). Так вот, протоны и нейтроны, у которых есть общее имя - нуклоны, удерживаются вместе в атомном ядре, как раз за счёт сильного взаимодействия. На самом деле, с атомами, а точнее, с их ядрами, всё обстоит даже ещё сложнее, поскольку протоны и нейтроны - хотя и самые известные из их обитателей, но далеко не единственные. Помимо них, в атомных ядрах существуют ещё сотни других элементарных цастиц, также являющихся их родственниками. Вот только время их жизни настолько мало, что не идёт ни в какое сравнение со временем жизни тех же самых нуклонов. Ты не успеешь даже подумать об этих частицах, как их, за это мгновение, возникнет и распадётся неисчислимое множество! И вот, несмотря на то, что они, на первый взгляд, столь непохожи на солидные, стабильные нуклоны, физики объединяют их с последними, под общим названием адроны (что, в переводе с греческого означает "сильный" или "большой"; так физики называют все элементарные частицы, существующие внутри атомного ядра). Почему же они так поступают? А всё дело в том, что все адроны состоят из ещё более маленьких частиц - кварков. Тут надо сказать, что найти частицы ещё меньшие, чем эти самые кварки, то есть такие, из которых бы, в свою очередь, состояли они сами, пока так и не удалось. Поэтому принято считать, что, на настоящий момент времени, кварки и есть те самые наименьшие кирпичики мироздания, из которых, наряду с лептонами (элементарными частицами, не участвующими во внутриядерных взаимодействиях) и построено всё многообразие нашей Вселенной (Рис. 1).
 |
Рис. 1. Стандартная модель элементарных частиц. (Надпись сверху - "Три поколения частиц (фермионы)". К фермионам относятся элементарные частицы, с полуцелым спином, то есть как раз и кварки с лептонами). (Посмотреть рисунок в увеличенном виде). |
Всего кварков - шесть, и они, следует заметить, - очень необычное семейство частиц. Одни только их названия чего стоят! Истинный, красивый, странный, очарованный. Нет-нет, это не художественный эпитеты, как ты мог подумать, так называются четыре из шести кварков. У двух остальных названия, может быть, и не столь поэтические, но тоже довольно необычные: один из них известен, как верхний, или протонный, а другой - нижний, или нейтронный. Эти "имена" кварков называются их ароматом (flavor), или же типом. Они отражают совокупность свойств (или квантовых чисел, как говорят физики) этих частиц (Рис 2).
Наряду с теми, что звучат вполне по-научному, каждый из кварков обладает ещё и такими свойствами, как, например, странность, очарование, красота (прелесть), а также ещё и цвет (color) (он может быть красным, синим или зеленым). Ну разве не удивительно? Конечно, к настоящим цветам и ароматам, эти их свойства никакого отношения не имеют. Названия эти условные, и сложились они чисто исторически. Кроме того, у каждого их этих шести кварков есть ещё его антипод - антикварк, свойства которого по своему значению точно такие же, как и у обычного кварка, но только некотрые из них имеют противоположный знак. Однако этим необычность кварков отнюдь не исчерпывается. Ко всем прочим их странностям несомненно следует добавить их дробный электрический заряд: - 1/3 или + 2/3 заряда электрона или протона, а также ни с чем не сравнимую привязанность друг к другу, поскольку, как установила данная теория (квантовая хромодинамика), сами по себе, по отдельности, кварки не существуют: они всегда пребывают только внутри адронной частицы и только в связанном с кем-либо ещё из членов своей семьи состоянии. Эта их особенность получила название "пленение" или "заточение" кварков. Видишь, насколько всё интересно и как запутанно? И всей этой квантовой кухней как раз и заправляет сильное взаимодействие. Это оно удерживает кварки внутри элементарных частиц. И делает оно это за счёт обмена между ними другими особыми частицами — глюонами.
 |
Итак, нам осталось с тобой рассмотреть самое последнее взаимодействие - слабое. Ты, верно, спросишь, почему же его так назвали? Ну, во-первых, оно, действительно, гораздо слабее, чем сильное и электромагнитное. К тому же обусловленные им процессы имеют меньшие вероятности и, следовательно, протекают медленнее. Ну а во-вторых, из более-менее заметных природных процессов, за которые оно ответственно, можно назвать лишь бета-распад нейтрона. Ты часто с ним сталкиваешься? Лично я - нет. Вероятно, подобная "малозначительность" данного взаимодействия, также повлияло на его название. Тем не менее, считать всерьёз, слабое взаимодействие не имеющим большого значения, было бы большой ошибкой. Ведь помимо того, что это взаимодействие позволяет лептонам, кваркам и их античастицам обмениваться энергией, массой, электрическим зарядом и квантовыми числами — то есть превращаться друг в друга, оно ещё ответственно и за то, что наше Солнце до сих пор не погасло. А всё потому, что именно процессы, связанные со слабым взаимодействием, открывают путь к ядерным реакциям, в результате которых наше светило и дарит нам свет и тепло.
Что ж. Вот мы с тобой и закончили рассмотрение того, что составляет основу интересов физики. Разумеется, рассказать обо всём, что физику интересует, за такое короткое время просто невозможно. Ведь данная наука - воистину вездесуща! Она требуется везде: и в астрономии, и в геологии, и биологии, и в химии, и в материаловедении. Одним словом, куда не посмотри - всюду она нужна! Да и как же иначе? Ведь физика - это естественный мост между абстрактным миром математики и нашим, обычным миром живой и неживой природы.
|
|
|