Размещено на http://www.allbest.ru/

17

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Хакасский государственный университет им. Н.Ф. Катанова

Институт непрерывного педагогического образования

Кафедра психологии и развития

Психолого-педагогический факультет

Фундаментальные физические взаимодействия

в природе, их характеристика

Выполнила: Рыжкова Елена Юрьевна,

студентка 2 курса заочной

формы обучения

Проверила: кандидат пед наук,

доцент Т.А. Федорова

Абакан, 2007План

Введение

1. Взаимодействие и связь в природе

2. Общая характеристика физических взаимодействий

3. Фундаментальные физические взаимодействия

3.1 Гравитационное

3.2 Электромагнитное

3.3 Слабое

3.4 Сильное

4. Проблема единства физики

Заключение

Список литературы

Введение

«Концепции современного естествознания» -- новый предмет в системе высшего образования. Что означают слова, которые составляют название предмета? Результатами научных исследований являются теории, законы, модели, гипотезы, эмпирические обобщения. Все эти понятия, каждое из которых имеет свое определенное значение, можно объединить одним словом «концепции». Естествознанием называется раздел науки, который изучает мир, как он есть, в его естественном состоянии, независимо от человека. К современному естествознанию относятся концепции, возникшие в XX веке. Наука бурно прогрессирует, и научные открытия совершаются на наших глазах. Не только последние научные данные можно считать современными, а все те, которые входят в толщу современной науки, образуя ее краеугольные камни, поскольку наука не состоит из отдельных, мало связанных между собой теорий, а представляет собой во многом единое целое, состоящее из разновременных по своему происхождению частей.

Насколько нужно знать современную науку человеку, который, скорее всего, никогда сам не будет работать в ней? В наши дни ни один человек не может считаться образованным, если он не проявляет интереса к естественным наукам.

Для чего же нужно изучать современное естествознание? Во-первых, для того, чтобы стать культурным человеком, надо знать, что такое теория относительности, генетика, синергетика, социобиология, экология, этология и другие науки. Во-вторых, это важно и потому, что многое в нашей жизни строится в соответствии с научной методологией. Хотя человечеству далеко до научной организации труда, тем не менее, научные принципы функционируют во многих видах деятельности, и, чтобы их успешно применять, надо их знать. В-третьих, потому, что знания так или иначе связаны и в какой-то степени основаны на научных данных. Этих причин достаточно для обоснования важности нового курса.

1. Взаимодействие и связь в природе

Многие основополагающие концепции современного естествознания прямо или косвенно связаны с описанием фундаментальных взаимодействий.

Связь, взаимодействие и движение представляют собой важнейшие атрибуты материи, без которых невозможно ее существование. Взаимодействие обусловливает соединение различных материальных элементов в системы, системную организацию материи. Все свойства тел производны от взаимодействий, являются результатом их структурных связей и внешних взаимодействий между собой.

Взаимодействие представляет собой развертывающийся во времени и пространстве процесс воздействия одних объектов на другие путем обмена материей и движением. Взаимодействие выступает как движение материи, а любое движение включает в себя различные виды взаимодействия. По существу, эти понятия совпадают, хотя часто употребляются в разных контекстах. Когда мы говорим о движении, то имеем в виду не столько внутренние изменения, основанные на структурных взаимодействиях, составляющих систему элементов материи, сколько внешнее пространственное перемещение тел, где взаимодействия как будто не видно. Но если взглянуть глубже, то и при пространственном перемещении тел обязательно есть их взаимодействие с окружающей средой и материальными полями, в результате чего изменяются свойства тел. Не существует такого движения, в содержании которого не было бы взаимодействия элементов материи, так же, как и всякое взаимодействие выступает как определенное изменение и движение.

Взаимодействие и движение являются формой существования материи. Для всякого объекта существовать - значит взаимодействовать, как-то проявлять себя по отношению к другим телам, находиться с ними в объективных отношениях. Именно взаимодействие и движение являются объективными критериями существования тел.

Следуя объективной логике развития природы, можно выделить несколько форм движения: в неживой природе, в живой природе и в обществе. Физика занимается исследованием процессов, происходящих в неживой природе и являющихся фундаментом гораздо более сложных процессов, происходящих на более высоких уровнях организации материи.

Несомненные успехи физических наук за последнее столетие привели к необычайному углублению наших знаний в этой области бытия и особенно в теории взаимодействия и движения материи.

Долгое время физика понимала движение как простое механическое движение, но затем было осознано, что оно является лишь частным случаем пространственного перемещения - любого изменения положения тела и его элементов в пространстве, связанного и с изменением во времени. Так, механическим является движение по определенной траектории, но существует бестраекторное пространственное перемещение типа сферического распространения фронта электромагнитных волн в полях, а также гравитационных волн в поле тяготения. Движению элементарных частиц тоже нельзя приписать определенную траекторию, как у материальной точки.

Но любые формы движения, изучаемые физикой, есть проявление глубинных свойств материи - так называемых фундаментальных взаимодействий. Это силы гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий.

2. Общая характеристика физических взаимодействий

В основе каждого фундаментального взаимодействия лежит изначально присущее веществу особое свойство, природу которого удастся выяснить лишь в ходе дальнейших, все более глубоких исследований природы вещества и вакуума. Носителем способности частиц к взаимодействиям, а также количественной мерой самого взаимодействия служит понятие заряда. Каждая частица изначально обладает одним или несколькими зарядами, причем между собой взаимодействуют только однотипные заряды, а заряды разных типов друг друга «не замечают». Наименьшее дискретное значение заряда (квант) называют единичным зарядом. Сила взаимодействия во всех случаях пропорциональна произведению зарядов двух взаимодействующих частиц, более сложно она зависит от расстояния между частицами.

По современным представлениям взаимодействие любого вида должно иметь своего физического агента, без посредника оно не протекает. В основе такого требования лежит тот факт, что скорость передачи воздействия ограничена фундаментальным пределом - скоростью света. Поэтому притяжение или отталкивание частиц передается через среду, их разделяющую. Такой средой является вакуум. При создании теории взаимодействия используют определенную модель процесса: заряд-фермион создает вокруг частицы поле, порождающее присущие ему частицы-бозоны; по своей природе это поле близко к тому состоянию, которое физики приписывают вакууму. Иначе говоря, заряд частицы возмущает вакуум, и это возмущение с затуханием передается на определенное расстояние; частицы поля являются виртуальными - существуют очень короткое время и в эксперименте не могут быть обнаружены; оказавшись в радиусе действия своих однотипных зарядов, две реальные частицы начинают стабильно обмениваться виртуальными бозонами: одна частица испускает бозон и тут же поглощает идентичный бозон, испущенный частицей-партнером, и наоборот; обмен бозонами создает эффект притяжения или отталкивания частиц-хозяев.

Таким образом, каждой частице, участвующей в одном из фундаментальных взаимодействий, соответствует своя бозонная частица - переносчик взаимодействия. Очень важным фактором является наличие массы у частиц, в том числе и у некоторых переносчиков взаимодействия (вопрос о происхождении массы у частиц до сих пор не решен, предполагается, что она появляется в результате особой формы взаимодействия частиц со структурой вакуума) - от этого зависит радиус действия соответствующих сил.

3. Фундаментальные физические взаимодействия

В своей повседневной жизни человек сталкивается с множеством сил, действующих на тела: сила ветра или потока воды; давление воздуха; мощный выброс взрывающихся химических веществ; мускульная сила человека; вес предметов; давление квантов света; притяжение и отталкивание электрических зарядов; сейсмические волны, вызывающие подчас катастрофические разрушения; вулканические извержения, приводившие к гибели цивилизаций и т.д. Одни силы действуют непосредственно при контакте с телом, другие, например гравитация, действуют на расстоянии, через пространство. Но, как выяснилось в результате развития естествознания, несмотря на столь большое разнообразие, все действующие в природе силы можно свести к четырем фундаментальным взаимодействиям. Именно эти взаимодействия в конечном счете отвечают за все изменения в мире, именно они являются источником всех материальных преобразований тел, процессов. Каждое из четырех фундаментальных взаимодействий имеет сходство с тремя остальными и в то же время свои отличия. Изучение свойств фундаментальных взаимодействий составляет главную задачу современной физики.

3.1 Гравитация

Гравитация первым из четырех фундаментальных взаимодействий стала предметом научного исследования. Созданная в XVII веке ньютоновская теория гравитации (закон всемирного тяготения) позволила впервые осознать истинную роль гравитации как силы природы.

Гравитация обладает рядом особенностей, отличающих ее от других фундаментальных взаимодействий. Наиболее удивительной особенностью гравитации является ее малая интенсивность. Гравитационное взаимодействие в 10³⁹ раз меньше силы взаимодействия электрических зарядов. Как может такое слабое взаимодействие оказаться господствующей силой во Вселенной?

Все дело во второй удивительной черте гравитации -- ее универсальности. Ничто во Вселенной не может избежать гравитации. Каждая частица испытывает на себе действие гравитации и сама является источником гравитации, вызывает гравитационное притяжение. Гравитация возрастает по мере образования все больших скоплений вещества. И хотя притяжение одного атома пренебрежимо мало, но результирующая сила притяжения со стороны всех атомов может быть значительной. Это проявляется и в повседневной жизни: мы ощущаем гравитацию потому, что все атомы Земли сообща притягивают нас. Зато в микромире роль гравитации ничтожна. Никакие квантовые эффекты в гравитации пока не доступны наблюдению.

Кроме того, гравитация -- далънодействующая сила природы. Это означает, что, хотя интенсивность гравитационного взаимодействия убывает с расстоянием, оно распространяется в пространстве и может сказываться на весьма удаленных от источника телах. В астрономическом масштабе гравитационное взаимодействие, как правило, играет главную роль. Благодаря дальнодействию гравитация не позволяет Вселенной развалиться на части: она удерживает планеты на орбитах, звезды в галактиках, галактики в скоплениях, скопления в Метагалактике.

Сила гравитации, действующая между частицами, всегда представляет собой силу притяжения: она стремится сблизить частицы. Гравитационное отталкивание еще никогда не наблюдалось.

Пока еще нет однозначного ответа на вопрос, чем является гравитация -- неким полем, искривлением пространства-времени или тем и другим вместе. На этот счет существуют разные мнения и концепции. Поэтому нет и завершенной теории квантово-гравитационного взаимодействия.

3.2 Электромагнитное

По величине электрические силы намного превосходят гравитационные, поэтому в отличие от слабого гравитационного взаимодействия электрические силы, действующие между телами обычных размеров, можно легко наблюдать. Электромагнетизм известен людям с незапамятных времен (полярные сияния, вспышки молнии и др.).

В течение долгого времени электрические и магнитные процессы изучались независимо друг от друга. Решающий шаг в познании электромагнетизма сделал в середине XIX в. Дж. К. Максвелл, объединивший электричество и магнетизм в единой теории электромагнетизма -- первой единой теории поля.

Существование электрона (единицы электрического заряда) было твердо установлено в 90-е гг. XIX в. Но не все материальные частицы являются носителями электрического заряда. Электрически нейтральны, например, фотон и нейтрино. В этом электричество отличается от гравитации. Все материалъные частицы создают гравитационное поле, тогда как с электромагнитным полем связаны только заряженные частицы.

Долгое время загадкой была и природа магнетизма. Как и электрические заряды, одноименные магнитные полюсы отталкиваются, а разноименные -- притягиваются. В отличие от электрических зарядов магнитные полюсы встречаются не по отдельности, а только парами -- северный полюс и южный. Хорошо известно, что в обычном магнитном стержне один конец действует как северный полюс, а другой -- как южный. Еще с древнейших времен известны попытки получить посредством разделения магнита лишь один изолированный магнитный полюс -- монополь. Но все они заканчивались неудачей: на месте разреза возникали два новых магнита, каждый из которых имел и северный, и южный полюсы. Может быть, существование изолированных магнитных полюсов в природе исключено? Определенного ответа на этот вопрос пока не существует. Некоторые современные теории допускают возможность существования монополя.

Электрическая и магнитная силы (как и гравитация) являются дальнодействующими, их действие ощутимо на больших расстояниях от источника. Электромагнитное взаимодействие проявляется на всех уровнях материи -- в мегамире, макромире и микромире. Как и гравитация, оно подчиняется закону обратных квадратов.

Электромагнитное поле Земли простирается далеко в космическое пространство, мощное поле Солнца заполняет всю Солнечную систему; существуют и галактические электромагнитные поля. Электромагнитное взаимодействие определяет также структуру атомов и отвечает за подавляющее большинство физических и химических явлений и процессов (за исключением ядерных). К нему сводятся все обычные силы: силы упругости, трения, поверхностного натяжения, им определяются агрегатные состояния вещества, оптические явления и др.

3.3 Слабое взаимодействие

К выявлению существования слабого взаимодействия физика продвигалась медленно. Слабое взаимодействие ответственно за распады частиц; и поэтому с его проявлением столкнулись с открытием радиоактивности и исследованием бета-распада.

У бета-распада обнаружилась в высшей степени странная особенность. Исследования приводили к выводу, что в этом распаде как будто нарушается один из фундаментальных законов физики -- закон сохранения энергии. Казалось, что часть энергии куда-то исчезала. Чтобы «спасти» закон сохранения энергии, В. Паули предположил, что при бета-распаде вместе с электроном вылетает, унося с собой недостающую энергию, еще одна частица. Она -- нейтральная и обладает необычайно высокой проникающей способностью, вследствие чего ее не удавалось наблюдать. Э. Ферми назвал частицу-невидимку «нейтрино».

Но предсказание нейтрино -- это только начало проблемы, ее постановка. Нужно было объяснить природу нейтрино, но здесь оставалось много загадочного. Дело в том, что электроны и нейтрино испускались нестабильными ядрами. Но было неопровержимо доказано, что внутри ядер нет таких частиц. Как же они возникали? Было высказано предположение, что электроны и нейтрино не существуют в ядре в «готовом виде», а каким-то образом образуются из энергии радиоактивного ядра. Дальнейшие исследования показали, что входящие в состав ядра нейтроны, предоставленные самим себе, через несколько минут распадаются на протон, электрон и нейтрино, т.е. вместо одной частицы появляется три новые. Анализ приводил к выводу, что известные силы не могут вызвать такой распад. Он, видимо, порождался какой-то иной, неизвестной силой. Исследования показали, что этой силе соответствует некоторое слабое взаимодействие.

Слабое взаимодействие по величине значительно меньше всех взаимодействий, кроме гравитационного, и в системах, где оно присутствует, его эффекты оказываются в тени электромагнитного и сильного взаимодействий. Кроме того, слабое взаимодействие распространяется на очень незначительных расстояниях. Радиус слабого взаимодействия очень мал. Слабое взаимодействие прекращается на расстоянии, большем 10^-16см от источника, и потому оно не может влиять на макроскопические объекты, а ограничивается микромиром, субатомными частицами. Когда началось лавинообразное открытие множества нестабильных субъядерных частиц, то обнаружилось, что большинство из них участвуют в слабом взаимодействии.

Теория слабого взаимодействия была создана в конце 60-х гг. С момента построения Максвеллом теории электромагнитного поля создание этой теории явилось самым крупным шагом на пути к единству физики.

3.4 Сильное взаимодействие

Последнее в ряду фундаментальных взаимодействий -- сильное взаимодействие, которое является источником огромной энергии. Наиболее характерный пример энергии, высвобождаемой сильным взаимодействием, -- Солнце. В недрах Солнца и звезд непрерывно протекают термоядерные реакции, вызываемые сильным взаимодействием. Но и человек научился высвобождать сильное взаимодействие: создана водородная бомба, сконструированы и совершенствуются технологии управляемой термоядерной реакции.

К представлению о существовании сильного взаимодействия физика шла в ходе изучения структуры атомного ядра. Какая-то сила должна удерживать положительно заряженные протоны в ядре, не позволяя им разлетаться под действием электростатического отталкивания. Гравитация слишком слаба и не может это обеспечить; очевидно, необходимо какое-то взаимодействие, причем, более сильное, чем электромагнитное. Впоследствии оно было обнаружено. Выяснилось, что хотя по своей величине сильное взаимодействие существенно превосходит все остальные фундаментальные взаимодействия, но за пределами ядра оно не ощущается. Как и в случае слабого взаимодействия, радиус действия новой силы оказался очень малым: сильное взаимодействие проявляется на расстоянии, определяемом размерами ядра, т.е. примерно 10^-13 см. Кроме того, выяснилось, что сильное взаимодействие испытывают не все частицы. Так, его испытывают протоны и нейтроны, но электроны, нейтрино и фотоны не подвластны ему. В сильном взаимодействии участвуют обычно только тяжелые частицы. Оно ответственно за образование ядер и многие взаимодействия элементарных частиц.

Теоретическое объяснение природы сильного взаимодействия развивалось трудно. Прорыв наметился только в начале 60-х гг., когда была предложена кварковая модель. В этой теории нейтроны и протоны рассматриваются не как элементарные частицы, а как составные системы, построенные из кварков.

4. Проблема единства физики

Познание есть обобщение действительности, и поэтому цель науки -- поиск единства в природе, связывание разрозненных фрагментов знания в единую картину. Для того чтобы создать единую систему, нужно открыть глубинное связующее звено между различными отраслями знания, некоторое фундаментальное отношение. Поиск таких связей и отношений -- одна из главных задач научного исследования.

Всякий раз, когда удается установить такие новые связи, значительно углубляется понимание окружающего мира, формируются новые способы познания, которые указывают путь к не известным ранее явлениям.

Установление глубинных связей между различными областями природы -- это одновременно и синтез знания, и новый метод, направляющий научные исследования по непроторенным дорогам. Выявление Ньютоном связи между притяжением тел в земных условиях и движением планет ознаменовало собой рождение классической механики, на основе которой построена технологическая база современной цивилизации. Установление связи термодинамических свойств газа с хаотическим движением молекул поставило на прочную основу атомно-молекулярную теорию вещества. В середине прошлого столетия Максвелл создал единую электромагнитную теорию, охватившую как электрические, так и магнитные явления. Затем в 20-х гг. нашего века Эйнштейн предпринимал попытки объединить в единой теории электромагнетизм и гравитацию.

Но к середине XX в. положение в физике радикально изменилось: были открыты два новых фундаментальных взаимодействия -- сильное и слабое. При создании единой физики приходится считаться уже не с двумя, а с четырьмя фундаментальными взаимодействиями. Это несколько охладило пыл тех, кто надеялся на быстрое решение данной проблемы. Однако сам замысел под сомнение всерьез не ставился, и увлеченность идеей единого описания не прошла.

Существует точка зрения, что все четыре (или хотя бы три) взаимодействия представляют собой явления одной природы и может быть найдено их единое теоретическое описание. Перспектива создания единой теории мира физических элементов (на основе одного-единственного фундаментального взаимодействия) остается весьма привлекательной. Это главная мечта физиков. Но долгое время она оставалась лишь мечтой, и очень неопределенной.

Однако во второй половине XX в. появились предпосылки осуществления этой мечты и уверенность, что это дело отнюдь не отдаленного будущего. Похоже, что вскоре она вполне может стать реальностью. Решающий шаг на пути к единой теории был сделан в 60--70-х гг. с созданием сначала теории кварков, а затем и теории электрослабого взаимодействия. Есть основания для мнения, что мы стоим на пороге более могущественного и глубокого объединения, чем когда-либо ранее. Среди физиков усиливается убеждение, что начинают вырисовываться контуры единой теории всех фундаментальных взаимодействий -- Великого объединения.

Заключение

Таким образом, в фундаментальных физических взаимодействиях четко прослеживается различие сил дальнодействующих и близкодействующих. С одной стороны, взаимодействия неограниченного радиуса действия (гравитация, электромагнетизм), а с другой -- малого радиуса (сильное и слабое). Мир физических процессов развертывается в границах этих двух полярностей и является воплощением единства предельно малого и предельно большого -- близкодействия в микромире и дальнодействия во всей Вселенной. физическое взаимодействие природа

Рассмотренные четыре типа фундаментальных взаимодействий лежат в основе всех других известных форм движения материи, в том числе возникших на высших ступенях развития. Любые сложные формы движения при их разложении на структурные составляющие обнаруживаются как сложные модификации указанных фундаментальных взаимодействий.

Список литературы

1. Бондарев В.П. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие для студентов вузов. - М.: Аьфа - М, 2003. - 464с.: ил.

2. Горелов А.А. Концепции современного естествознания: Москва: Центр, 1997. - 208с.

3. Грушевицкая Т. Г., Садохин А. П. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие - М.: Высш. шк., 1998 - 383 с.

4. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания: Учеб. М.: Высш. шк., 2000. - 334с.: ил.

5. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие - М.: Гардарики, 1999 .- 476с.

Размещено на Allbest.ru