2.7. Взаємодія, блізкодействіе, дальнодействие
2.7.1. Концепції близкодействия і дальнодействия
Дальність дії. Після відкриття закону всесвітнього тяжіння І. Ньютоном, а потім закону Кулона, що описує взаємодію електричних заряджених тіл, виникло питання. чому фізичні тіла, що мають масу, діють один на одного на великих відстанях через порожній простір і чому заряджені тіла взаємодіють між собою навіть через електрично нейтральне середовище?
До введення поняття «поле» на це питання не було задовільної відповіді. Довгий час вважалося, що взаємодія між тілами може безпосередньо здійснюватиметься через порожній простір, яка не бере участі в передачі взаємодій, а передача взаємодії від тіла до тіла передається миттєво, тобто з нескінченною швидкістю. Таке припущення становить сутність концепції дальнодействия, яку обґрунтував Р. Декарт. Більшість вчених дотримувалося цієї концепції аж до кінця XIX ст.
Принцип дальнодействия утвердився в фізиці ще й тому, що гравітаційна взаємодія макроскопічних тел відповідно до закону всесвітнього тяжіння І. Ньютона малопомітно, - тяжіння занадто слабо, щоб його відчути. Тому експериментально це було важко підтвердити або спростувати. Тільки відомі досліди Г. Кавендіша були першими лабораторними спостереженнями гравітаційного тяжіння.
Блізкодействіе. Навпаки, закони взаємодії електрично заряджених тіл допускали можливість їх відносно простий перевірки. Незабаром було встановлено, що взаємодія електричних зарядів відбувається не миттєво. Кожна електрично заряджена частинка створює електричне поле, що діє на інші частинки не в той же момент, а через деякий час.
Іншими словами, взаємодія передається через посередника - електромагнітне поле, а швидкість поширення електромагнітного поля дорівнює швидкості світла. Це становить суть концепції близкодействия.
2.7.2. Фундаментальні типи взаємодій
Згідно з концепцією близкодействия все взаємодії між юламі (крім прямого контакту між ними) здійснюються за допомогою тих чи інших полів (наприклад, взаємодія в теорії тяжіння - за допомогою гравітаційного поля, електромагнітні взаємодії - за допомогою електромагнітних полів). Аж до ХХ ст. були відомі лише два типи взаємодій: гравітаційна і електромагнітне.
В даний час, крім гравітаційного і електромагнітного взаємодій, відомі ще два - так звані слабкі і сильні взаємодії. Зазначені типи взаємодій в сучасній фізиці є фундаментальними.
Слабка взаємодія відповідає за внутрішньоядерні взаємодія, що приводить, наприклад, до розпаду нейтрона з випусканням електронів (β-випромінювання), сильна взаємодія - за внутрінуклонние взаємності, то вона утримує кварки всередині нуклонів.
Просторово дію чотирьох взаємодій різному. Так, гравітаційні й електромагнітні взаємодії описуються законами «зворотних квадратів відстаней» і проявляються у всьому просторі формально до нескінченності. Сильні взаємодії проявляються лише в межах розміру ядра
10 -13 см, а слабкі взаємодії - на відстанях в декілька порядків раз менших розмірів ядер.
Відносна сила взаємодій різна. Якщо сильна взаємодія умовно прийняти за одиницю, то електромагнітне взаємодія буде в 10 2 разів менше, слабке - в 10 10. а гравітаційне - в 10 38 раз менше сильної взаємодії.
І хоча сила взаємодій істотно різна, жодним з них нехтувати не можна. Кожна взаємодія може суттєво впливати на процеси в тому чи іншому конкретному випадку. Навіть така взаємодія, як гравітаційне, незважаючи на свою позірну малість (в 10 38 раз менше сильного взаємодії) грає, наприклад, домінуючу роль в процесах космічного порядку, де присутні об'єкти з величезною масою і великі просторові масштаби явищ.
У другій половині XX в. велися інтенсивні роботи щодо можливого об'єднання електромагнітного, слабкого і сильного взаємодій.
Поки що С. Вайнберг. Ш. Глешоу і А. Саламу вдалося створити єдину теорію електрослабкої взаємодії. Відповідно до цієї теорії за електрослабкої взаємодії відповідають частки - кванти електрослабкої поля - бозони W
і Z 0. Незабаром такі частинки були виявлені експериментально К. Руббіа і С. ван дер Меєром.
Як зазначалося вище, сильне фундаментальне взаємодія відповідає за зв'язок частинок в ядрі, і тому часто називається ядерним. Спочатку це взаємодія вивчалося в рамках квантової мезонодінамікі. Японський вчений Х Юкава висунув ідею, що взаємодія між нуклонами (протонами і нейтронами) в атомних ядрах зумовлено спеціальними частками - квантами ядерної поля, названими мезонами. Надалі такі частинки були відкриті і отримали назву π
- мезонів.
Наступним етапом розвитку теорії сильних взаємодій було створення квантової хромодинаміки. Необхідність у створенні нової теорії пояснюється наступним: в подальшому було з'ясовано, що окремі одиниці ядра - нейтрони і протони - самі складаються з більш дрібних одиниць - кварків, тому дослідження перемістилися в область вивчення взаємодій між кварками в нуклонах. За сучасними уявленнями, відповідно до квантової хромодинаміки, сильне вздімодействіе пов'язано з існуванням квантів внутрінуклонного поля глюонами. Таким чином, теорія сильних взаємодій - квантова хромодинамика - описує взаємодію кварків і глюонів.
Теорію електрослабкої і сильних взаємодій називають Стандартною моделлю макросвіту.
Після того, як була створена єдина теорія електрослабкої взаємодії, з'явилася реальна перспектива побудови ядерної теорії всіх трьох форм взаємодій елементарних частинок (програма «Великого об'єднання»).
А в самий останній час з'явилися нові ідеї, які відкривають, може бути, далекі, але все ж реальні перспективи об'єднання всіх відомих чотирьох взаємодій, включаючи і гравітаційне. Вирішення цього завдання ознаменувало б грандіозну наукову революцію, яку важко виміряти масштабами всіх попередніх наукових революцій.
Іншими словами, на сьогоднішній день ми маємо дуже продуктивну дослідницьку програму, що дає напрям її розвитку, яке орієнтовано веде до єдності всіх фундаментальних теорій.
Якщо така програма буде реалізована, то це буде означати що природа, в кінцевому рахунку, підпорядкована дії якоїсь суперсили виявляється в деяких приватних взаємодіях. Ця суперсила досить потужна, щоб створити наш Всесвіт, наділити її енергією в відповідних формах і матерією з певною структурою.
Але суперсила - щось більше, ніж просто сила. У ній матерія, простір-час і взаємодія злиті в нероздільне гармонійне ціле, що породжує таке єдність Всесвіту, про який раніше ніхто й гадки не мав. Сучасна наука в пошуку такого єдності.
З концепціями взаємодії у фізиці тісно пов'язана концепція фізичного вакууму. За сучасними уявленнями, вакуум - це не «абсолютна порожнеча», а реальна фізична система, наприклад електромагнітне поле в одному зі своїх станів. Більш того, згідно з квантової теорії поля, зі стану вакууму можна отримати всі інші стану поля. Вакуум можна визначити як поле з мінімальною енергією. У вакуумі постійно протікають складні фізичні перетворення, наприклад особливого роду вакуумні коливання електромагнітного поля, не вириваються з нього і не поширюються, однак чітко які у фізичному експерименті.