Interaktion ist der Hauptgrund für die Bewegung von Materie, daher ist Interaktion allen materiellen Objekten inhärent, unabhängig von ihrem natürlichen Ursprung und ihrer systemischen Organisation. Die Merkmale verschiedener Wechselwirkungen bestimmen die Existenzbedingungen und die spezifischen Eigenschaften materieller Objekte. Insgesamt sind vier Arten der Wechselwirkung bekannt: Gravitation, elektromagnetische, starke und schwache.

Gravitation Die Wechselwirkung war die erste der bekannten grundlegenden Wechselwirkungen, die von Wissenschaftlern erforscht wurde. Es manifestiert sich in der gegenseitigen Anziehung aller materiellen Objekte mit Masse, wird durch das Gravitationsfeld übertragen und wird durch das Gesetz der universellen Gravitation bestimmt, das von I. Newton formuliert wurde

Das Gesetz der universellen Gravitation beschreibt den Fall materieller Körper im Erdfeld, die Bewegung der Planeten des Sonnensystems, Sterne usw. Mit zunehmender Masse der Materie nehmen die Gravitationswechselwirkungen zu. Die Gravitationswechselwirkung ist die schwächste aller Wechselwirkungen, die der modernen Wissenschaft bekannt sind. Dennoch bestimmen Gravitationswechselwirkungen die Struktur des gesamten Universums: die Entstehung aller kosmischen Systeme; Existenz von Planeten, Sternen und Galaxien. Die wichtige Rolle der Gravitationswechselwirkung wird durch ihre Universalität bestimmt: Alle Körper, Teilchen und Felder sind daran beteiligt.

Die Träger der Gravitationswechselwirkung sind Gravitonen – Quanten des Gravitationsfeldes.

Elektromagnetisch Interaktion ist ebenfalls universell und existiert zwischen allen Körpern in der Mikro-, Makro- und Megawelt. Elektromagnetische Wechselwirkung wird durch elektrische Ladungen verursacht und durch elektrische und magnetische Felder übertragen. Beim Vorhandensein elektrischer Ladungen entsteht ein elektrisches Feld, bei der Bewegung elektrischer Ladungen entsteht ein magnetisches Feld. Elektromagnetische Wechselwirkung wird beschrieben durch: das Coulomb-Gesetz, das Ampere-Gesetz usw. und in verallgemeinerter Form – durch Maxwells elektromagnetische Theorie, die elektrische und magnetische Felder verbindet. Dank elektromagnetischer Wechselwirkung entstehen Atome, Moleküle und es kommt zu chemischen Reaktionen. Chemische Reaktionen sind eine Manifestation elektromagnetischer Wechselwirkungen und das Ergebnis der Umverteilung von Bindungen zwischen Atomen in Molekülen sowie der Anzahl und Zusammensetzung der Atome in den Molekülen verschiedener Substanzen. Verschiedene Aggregatzustände, elastische Kräfte, Reibung usw. werden durch elektromagnetische Wechselwirkung bestimmt. Die Träger der elektromagnetischen Wechselwirkung sind Photonen – Quanten des elektromagnetischen Feldes mit der Ruhemasse Null.

Im Atomkern gibt es starke und schwache Wechselwirkungen. Stark Wechselwirkung sorgt für die Verbindung von Nukleonen im Kern. Diese Wechselwirkung wird durch Kernkräfte bestimmt, die Ladungsunabhängigkeit, Nahwirkung, Sättigung und andere Eigenschaften aufweisen. Die starke Wechselwirkung hält Nukleonen (Protonen und Neutronen) im Kern und Quarks im Inneren der Nukleonen fest und ist für die Stabilität von Atomkernen verantwortlich. Mithilfe der starken Wechselwirkung erklärten Wissenschaftler, warum die Protonen des Atomkerns unter dem Einfluss elektromagnetischer Abstoßungskräfte nicht auseinanderfliegen. Die starke Wechselwirkung wird durch Gluonen übertragen – Teilchen, die Quarks „verkleben“, die Teil von Protonen, Neutronen und anderen Teilchen sind.

Schwach Interaktion funktioniert auch nur im Mikrokosmos. An dieser Wechselwirkung sind alle Elementarteilchen außer dem Photon beteiligt. Da es die meisten Zerfälle von Elementarteilchen verursacht, erfolgte seine Entdeckung erst nach der Entdeckung der Radioaktivität. Die erste Theorie der schwachen Wechselwirkung wurde 1934 von E. Fermi erstellt und in den 1950er Jahren weiterentwickelt. M. Gell-Man, R. Feynman und andere Wissenschaftler. Als Träger der schwachen Wechselwirkung gelten Teilchen mit einer Masse, die 100-mal größer ist als die Masse der Protonen – intermediäre Vektorbosonen.

Die Merkmale grundlegender Wechselwirkungen sind in der Tabelle dargestellt. 2.1.

Tabelle 2.1

Merkmale grundlegender Wechselwirkungen

Die Tabelle zeigt, dass die Gravitationswechselwirkung viel schwächer ist als andere Wechselwirkungen. Sein Wirkungsbereich ist unbegrenzt. Es spielt in Mikroprozessen keine wesentliche Rolle und ist gleichzeitig für Objekte mit großen Massen von grundlegender Bedeutung. Die elektromagnetische Wechselwirkung ist stärker als die Gravitationswechselwirkung, ihr Wirkungsbereich ist jedoch ebenfalls unbegrenzt. Starke und schwache Wechselwirkungen haben einen sehr begrenzten Wirkungsbereich.

Eine der wichtigsten Aufgaben der modernen Naturwissenschaft ist die Schaffung einer einheitlichen Theorie grundlegender Wechselwirkungen, die verschiedene Arten der Wechselwirkung vereint. Die Schaffung einer solchen Theorie würde auch die Konstruktion einer einheitlichen Theorie der Elementarteilchen bedeuten.

Entstehung protogalaktischer Wolken weniger als etwa 1 Milliarde Jahre nach dem Urknall

Wir sind uns der Schwerkraft bewusst, die uns am Boden hält und den Flug zum Mond erschwert. Und Elektromagnetismus, dank dem wir nicht in einzelne Atome zerfallen und Laptops anschließen können. Der Physiker spricht von zwei weiteren Kräften, die das Universum genau so machen, wie es ist.

Seit der Schule kennen wir alle das Gesetz der universellen Gravitation und das Coulombsche Gesetz. Die erste erklärt uns, wie massereiche Objekte wie Sterne und Planeten miteinander interagieren (sie sich anziehen). Ein anderer zeigt (erinnern Sie sich an das Experiment mit einem Ebonitstab), welche Anziehungs- und Abstoßungskräfte zwischen elektrisch geladenen Objekten entstehen.

Aber ist dies die Gesamtheit der Kräfte und Wechselwirkungen, die das Erscheinungsbild des Universums bestimmen, das wir beobachten?

Die moderne Physik besagt, dass es im Universum vier Arten grundlegender Wechselwirkungen zwischen Teilchen gibt. Über zwei davon habe ich oben bereits gesprochen und bei ihnen scheint alles einfach zu sein, da uns ihre Erscheinungsformen im Alltag ständig umgeben: Das ist die gravitative und elektromagnetische Wechselwirkung.

Durch die Wirkung des ersten stehen wir also fest auf dem Boden und fliegen nicht in den Weltraum. Der zweite sorgt beispielsweise für die Anziehung eines Elektrons zu einem Proton in den Atomen, aus denen wir alle bestehen, und letztendlich für die Anziehung der Atome zueinander (d. h. er ist für die Bildung von Molekülen, biologischen Geweben usw. verantwortlich). .). Gerade aufgrund der Kräfte der elektromagnetischen Wechselwirkung stellt sich beispielsweise heraus, dass es nicht so einfach ist, einem lästigen Nachbarn den Kopf abzuschlagen, und zu diesem Zweck müssen wir auf die Hilfe einer Axt zurückgreifen verschiedene improvisierte Mittel.

Es gibt aber auch die sogenannte starke Interaktion. Wofür ist es verantwortlich? Waren Sie in der Schule nicht überrascht, dass trotz der Aussage des Coulombschen Gesetzes, dass sich zwei positive Ladungen gegenseitig abstoßen sollten (nur entgegengesetzte Ladungen ziehen sich an), die Kerne vieler Atome still für sich existieren? Aber sie bestehen, wie Sie sich erinnern, aus Protonen und Neutronen. Neutronen sind Neutronen, weil sie neutral sind und keine elektrische Ladung haben, Protonen jedoch positiv geladen sind. Und was, fragt man sich, welche Kräfte können (im Abstand von einem Billionstel Mikrometer – das ist tausendmal kleiner als das Atom selbst!) mehrere Protonen zusammenhalten, die sich nach dem Coulombschen Gesetz gegenseitig abstoßen sollten mit schrecklicher Energie?

Starke Wechselwirkung – sorgt für Anziehung zwischen Partikeln im Kern; elektrostatisch - Abstoßung

Diese wahrhaft gigantische Aufgabe der Überwindung der Coulomb-Kräfte übernimmt die starke Wechselwirkung. Dadurch werden Protonen (sowie Neutronen) im Kern immer noch voneinander angezogen. Protonen und Neutronen selbst bestehen übrigens auch aus noch mehr „elementaren“ Teilchen – Quarks. Quarks interagieren also auch und ziehen sich gegenseitig „stark“ an. Aber im Gegensatz zur gleichen Gravitationswechselwirkung, die auch in kosmischen Entfernungen von vielen Milliarden Kilometern funktioniert, ist die starke Wechselwirkung glücklicherweise, wie man so sagt, nur von kurzer Dauer. Das bedeutet, dass das „starke Anziehungsfeld“, das ein Proton umgibt, nur in winzigen Maßstäben funktioniert, die tatsächlich mit der Größe des Kerns vergleichbar sind.

Daher kann beispielsweise ein Proton, das im Kern eines der Atome sitzt, trotz der Coulomb-Abstoßung kein Proton von einem benachbarten Atom aufnehmen und „stark“ anziehen. Andernfalls könnte die gesamte Protonen- und Neutronenmaterie im Universum von einem gemeinsamen Massenschwerpunkt „angezogen“ werden und einen riesigen „Superkern“ bilden. Ähnliches geschieht jedoch in der Dicke von Neutronensternen, zu denen unsere Sonne erwartungsgemäß eines Tages (in etwa fünf Milliarden Jahren) schrumpfen wird.

Die vierte und letzte der grundlegenden Wechselwirkungen in der Natur ist also die sogenannte schwache Wechselwirkung. Nicht umsonst heißt es so: Es funktioniert nicht nur auch auf noch kürzeren Distanzen als die starke Wechselwirkung, sondern ist auch sehr leistungsarm. Im Gegensatz zu seinem starken „Bruder“, der Coulomb-Abstoßung, wird er also nicht überwältigen.

Ein eindrucksvolles Beispiel für die Schwäche schwacher Wechselwirkungen sind Teilchen namens Neutrinos (übersetzt als „kleines Neutron“, „Neutron“). Diese Teilchen nehmen ihrer Natur nach nicht an starken Wechselwirkungen teil, haben keine elektrische Ladung (und sind daher nicht anfällig für elektromagnetische Wechselwirkungen), haben selbst nach den Maßstäben der Mikrowelt eine unbedeutende Masse und sind daher praktisch unempfindlich gegenüber Die Schwerkraft ist tatsächlich nur zu schwachen Wechselwirkungen fähig.

Was? Neutrinos gehen durch mich hindurch?!

Gleichzeitig werden im Universum Neutrinos in wahrhaft kolossalen Mengen erzeugt, und ein riesiger Strom dieser Teilchen dringt ständig in die Dicke der Erde ein. Im Volumen einer Streichholzschachtel befinden sich beispielsweise zu jedem Zeitpunkt durchschnittlich etwa 20 Neutrinos. Sie können sich also ein riesiges Fass Wasserdetektor vorstellen, über das ich in meinem letzten Beitrag geschrieben habe, und die unglaubliche Menge an Neutrinos, die zu jedem Zeitpunkt hindurchfliegen. Daher müssen Wissenschaftler, die an diesem Detektor arbeiten, normalerweise monatelang auf einen so glücklichen Zufall warten, dass mindestens ein Neutrino ihren Lauf „fühlt“ und darin mit seinen schwachen Kräften interagiert.

Trotz ihrer Schwäche spielt diese Interaktion jedoch eine sehr wichtige Rolle im Universum und im menschlichen Leben. Somit stellt sich heraus, dass es für eine der Arten von Radioaktivität verantwortlich ist – nämlich den Beta-Zerfall, der (nach der Gamma-Radioaktivität) hinsichtlich des Gefährlichkeitsgrades seiner Auswirkungen auf lebende Organismen an zweiter Stelle steht. Und, was nicht weniger wichtig ist, ohne die schwache Wechselwirkung wäre es unmöglich, dass thermonukleare Reaktionen in den Tiefen vieler Sterne stattfinden und für die Freisetzung der Energie des Sterns verantwortlich wären.

Das sind die vier Reiter der Apokalypse der fundamentalen Wechselwirkungen, die das Geschehen im Universum beherrschen: stark, elektromagnetisch, schwach und gravitativ.

» Was sind grundlegende Wechselwirkungen?

Heute möchte ich Ihnen etwas über grundlegende Kräfte bzw. Wechselwirkungen erzählen. Sie erfahren, was sie sind, wie viele es gibt und warum sie benötigt werden.

Auf geht's!

Was sind Grundkräfte?

In unserem Universum gibt es viele physikalische Kräfte und Wechselwirkungen. Zum Beispiel Reibungskräfte, Kernreaktionen und chemische Bindungen. Aber sie sind alle zweitrangig, bis auf bestimmte vier Interaktionen. Sie werden „grundlegend“ genannt. Sie sind Wechselwirkungsformen von Elementarteilchen und bestimmen alle anderen Kräfte in der Natur.

Ganz am Anfang des Universums gab es eine grundlegende Wechselwirkung. Aber das dauerte nicht lange. Bereits am Ende der ersten Sekunde danach war die einzelne Grundkraft in vier separate Wechselwirkungen unterteilt: stark, schwach, elektromagnetisch und gravitativ. Schauen wir sie uns alle an.

Starke Interaktion.

Haben Sie sich jemals gefragt, warum die Atome der meisten chemischen Elemente stabil sind? Es scheint, dass es hier nichts Kompliziertes gibt. Doch in den 30er Jahren des letzten Jahrhunderts zwang die Suche nach einer Antwort auf diese Frage die Wissenschaftler ins Schwitzen.

Sie wissen wahrscheinlich aus Ihrem Schulunterricht in Physik und Chemie, dass ein Atom aus zwei Teilen besteht: einem Kern und um ihn rotierenden Elektronen. Der Kern wiederum besteht aus „Nukleonen“ – Protonen und Neutronen.

Das Atom ist elektrisch neutral. Doch in seinem Kern befinden sich nur positiv und neutral geladene Teilchen – Protonen und Neutronen. Es ist bekannt, dass sich nur Körper mit entgegengesetzter Ladung gegenseitig anziehen können – also „Plus“ zu „Minus“. Daher müssen sich Protonen und Neutronen gegenseitig abstoßen. In Wirklichkeit existieren die Atome des Kerns jedoch immer noch und spielen keine Rolle. Was ist der Grund?

„Vielleicht liegt es an der Schwerkraft?“ - dachten die Physiker damals. Es stellte sich heraus, dass dies nicht der Fall war. Da die Gravitationswechselwirkung die schwächste von allen ist, wäre sie den elektromagnetischen Kräften nicht standhalten.

Das bedeutet, dass es eine ziemlich starke Kraft gibt, die Nukleonen in stabile Atome des Kerns bindet. Dies wird als „starke Interaktion“ bezeichnet. Später stellte sich heraus, dass es auch Quarks (Vertreter einer der Gruppen fundamentaler Teilchen) zu zusammengesetzten Teilchen namens „Hadronen“ bindet – zum Beispiel die gleichen Protonen und Neutronen.

An der starken Wechselwirkung sind Quarks, Hadronen und Gluonen beteiligt. Gluonen haben keine Masse und sind Träger der starken Kraft. Sie werden durch Quarks ausgetauscht und verwirklichen dadurch diese Grundkraft.

Die starke Kernkraft ist die stärkste Kraft in der Natur. Es ist tausendmal stärker als elektromagnetische Strahlung und 100.000-mal stärker als „schwache Atomkraft“ und seine Kraft übertrifft die Schwerkraft um das 10 39-fache (10 hoch 39 Potenzen).

Die starke Wechselwirkung ist brutal – deshalb können Wissenschaftler Quarks im freien Zustand nicht beobachten. Diese armen Teilchen sind für immer in Hadronen gefangen. Es stellte sich heraus, dass ihre Anziehungskraft umso stärker ist, je weiter die Quarks voneinander entfernt sind. Daher werden diese Teilchen nie beobachtet, wie sie allein im Weltraum wandern, und sie existieren nur in Hadronen.

Elektromagnetismus.

Alle Körper und Teilchen, die eine elektrische Ladung besitzen, nehmen an der elektromagnetischen Wechselwirkung teil. Es gibt jedoch Ausnahmen – neutrale Teilchen, die jedoch aus geladenen Teilchen bestehen, können teilnehmen. Ein markantes Beispiel ist das Neutron. Es hat eine neutrale Ladung, besteht aber aus geladenen Quarks.

Elektromagnetische Wechselwirkungen treten zwischen geladenen Teilchen durch ein elektromagnetisches Feld auf. Sein Quant (Grundteilchen) ist das Photon – auch der Troll des gesamten Universums.

Elektromagnetismus beruht auf der Tatsache, dass geladene Teilchen miteinander interagieren und Photonen austauschen.

Elektromagnetische Kräfte treten sowohl in Form von Anziehungskräften (ein positiv geladener Körper wird von einem negativ geladenen Körper angezogen) als auch in Form von Abstoßungskräften auf.

Dieses Zusammenspiel spielt in der Natur aufgrund seiner Wechselwirkung eine sehr wichtige Rolle. Es bestimmt die Struktur von Molekülen (chemische Bindungen) und Elektronenhüllen in Atomen. Daher sind viele Dinge auf den Elektromagnetismus zurückzuführen.

Die meisten der üblichen physikalischen Kräfte, die Newtons „klassische Mechanik“ berücksichtigt, sind Reibungskraft, Elastizität, Oberflächenspannung usw. - elektromagnetischer Natur sein.

Elektromagnetische Kräfte bestimmen auch die meisten physikalischen Eigenschaften von Körpern im Makrokosmos sowie deren Veränderung beim Übergang von einem Aggregatzustand in einen anderen. Diese Wechselwirkung liegt elektrischen, magnetischen, optischen und chemischen Phänomenen zugrunde.

Schwache Nuklearstreitkräfte.

Die schwache Wechselwirkung tritt bei Abständen auf, die viel kleiner sind als der Atomkern. Sie ist schwächer als die beiden oben beschriebenen Grundkräfte, aber stärker als die Schwerkraft.

An schwachen Kernkräften sind zwei Gruppen fundamentaler Teilchen (Leptonen und Quarks) und Hadronen beteiligt. Bei der schwachen Wechselwirkung tauschen Teilchen „Träger“ aus – W- und Z-Bosonen, die im Gegensatz zu masselosen Gluonen und Photonen recht massiv sind.

Schwache Kernkräfte spielen in der Natur eine wichtige Rolle. Das Auftreten thermonuklearer Reaktionen in Sternen wird genau durch diese Wechselwirkung verursacht. Mit anderen Worten: Dank schwacher Kernkräfte brennen die Sonne und andere Gaskörper.

Aber das ist noch nicht alles. Die schwache Kraft ist für den Betazerfall von Atomkernen verantwortlich. Dieser Prozess ist eine von drei Arten von Radioaktivität. Es besteht in der Emission von „Betateilchen“ durch den Kern: Elektronen oder Positronen.

Dank der schwachen Wechselwirkung, der sogenannten „schwacher Verfall“. Dabei werden massive Teilchen in leichtere zerlegt. Ein wichtiger Sonderfall ist der Zerfall eines Neutrons – es kann sich in Proton, Elektron und Antineutrino verwandeln.

Schwere.

Universelle fundamentale Wechselwirkung. Alle materiellen Körper sind ihr unterworfen – vom Elementarteilchen bis zur riesigen Galaxie. Diese Grundkraft ist die schwächste von allen und drückt sich im Verlangen materieller Körper zueinander aus – der Anziehung.

Die Schwerkraft ist eine weitreichende Kraft und steuert die globalsten Prozesse im Universum. Dadurch wurden Sterne und ihre Sternhaufen zu Galaxien zusammengefasst. Dadurch bilden sich Gassterne in Nebeln, kalte Gesteinsbrocken im Weltraum gruppieren sich zu Planeten und ein von Ihnen hochgeworfener Ball wird mit Sicherheit herunterfallen.

Die Schwerkraft täuscht Physiker seit mehreren Jahrzehnten. Es ist Gegenstand eines langfristigen Konflikts zwischen zwei großen physikalischen Theorien: der Quantenmechanik und der Relativitätstheorie. Aber warum?

Tatsache ist, dass die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenphysik auf unterschiedlichen Prinzipien aufbauen und diese Grundkraft auf unterschiedliche Weise beschreiben.

Einstein erklärte die Schwerkraft als die Krümmung der Raumzeit selbst aufgrund der Massen materieller Körper. Und die Quantenphysik „quantisiert“ es – beschreibt es als eine Wechselwirkung, die ihre eigenen Trägerteilchen hat. Sie werden „Gravitonen“ genannt.

In der Quantenmechanik wird die Raumzeit nicht durch eine „dynamische Variable“ dargestellt, d. h. hängt nicht von den darin befindlichen Körpern und Systemen ab. Und das widerspricht der Relativitätstheorie.

Am überraschendsten ist jedoch, dass trotz der grundlegenden Unterschiede alle diese beiden Theorien experimentell bewiesen wurden. Die Quantenmechanik beschreibt die Mikrowelt perfekt und die Relativitätstheorie beschreibt das Universum auf makroskopischer Skala.

Derzeit werden Versuche unternommen, relativistische und Quantenphysik zu kombinieren und die Schwerkraft nahtlos zu beschreiben. Dann wird eine „Theorie von allem“ erstellt, und der Hauptkandidat für diesen Titel ist die „Stringtheorie“, die mit ihren 11 Dimensionen bis zum Rand verworren ist.

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Grundlegende Wechselwirkungen

In der Natur gibt es eine Vielzahl natürlicher Systeme und Strukturen, deren Merkmale und Entwicklung durch die Interaktion materieller Objekte, also die gegenseitige Einwirkung aufeinander, erklärt werden. genau Wechselwirkung ist der Hauptgrund für die Bewegung der Materie und charakteristisch für alle materiellen Objekte, unabhängig von ihrer Herkunft und ihrer systemischen Organisation. Interaktion ist universell, ebenso wie Bewegung. Interagierende Objekte tauschen Energie und Impuls aus (das sind die Hauptmerkmale ihrer Bewegung). In der klassischen Physik wird die Wechselwirkung durch die Kraft bestimmt, mit der ein materieller Gegenstand auf einen anderen einwirkt. Das Paradigma war lange Zeit das Konzept der Fernwirkung – die Interaktion von materiellen Objekten, die sich in großer Entfernung voneinander befinden und augenblicklich durch den leeren Raum übertragen werden. Derzeit wurde ein weiteres experimentell bestätigt - Konzept der Nahbereichswechselwirkung – die Wechselwirkung wird mithilfe physikalischer Felder mit einer endlichen Geschwindigkeit übertragen, die die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum nicht überschreitet. Ein physikalisches Feld ist eine besondere Art von Materie, die die Wechselwirkung materieller Objekte und ihrer Systeme gewährleistet (die folgenden Felder: elektromagnetische Felder, Gravitationsfelder, Felder nuklearer Kräfte – schwach und stark). Die Quelle des physikalischen Feldes sind Elementarteilchen (elektromagnetisch – geladene Teilchen), in der Quantentheorie beruht die Wechselwirkung auf dem Austausch von Feldquanten zwischen Teilchen.

In der Natur gibt es vier grundlegende Wechselwirkungen: starke, elektromagnetische, schwache und gravitative, die die Struktur der umgebenden Welt bestimmen.

Starke Interaktion(Kernwechselwirkung) ist die gegenseitige Anziehung der Bestandteile von Atomkernen (Protonen und Neutronen) und wirkt in einem Abstand in der Größenordnung von 10 -1 3 cm, übertragen durch Gluonen. Aus der Sicht der elektromagnetischen Wechselwirkung sind ein Proton und ein Neutron unterschiedliche Teilchen, da ein Proton elektrisch geladen ist, ein Neutron jedoch nicht. Unter dem Gesichtspunkt der starken Wechselwirkung sind diese Teilchen jedoch nicht zu unterscheiden, da das Neutron im stabilen Zustand ein instabiles Teilchen ist und in Proton, Elektron und Neutrino zerfällt, im Kern jedoch in seinen Eigenschaften einem Proton ähnelt. weshalb der Begriff „Nukleon“ (von lat. Kern- Kern)“ und ein Proton mit einem Neutron begann man als zwei verschiedene Zustände des Nukleons zu betrachten. Je stärker die Wechselwirkung der Nukleonen im Kern ist, desto stabiler ist der Kern und desto größer ist die spezifische Bindungsenergie.

In einer stabilen Substanz nimmt die Wechselwirkung zwischen Protonen und Neutronen bei nicht zu hohen Temperaturen zu, kommt es jedoch zu einer Kollision von Kernen oder deren Teilen (hochenergetischen Nukleonen), kommt es zu Kernreaktionen, die mit der Freisetzung enormer Energie einhergehen.

Durch starke Wechselwirkung werden Teilchen unter bestimmten Bedingungen sehr fest zu Atomkernen gebunden – Stoffsystemen mit hoher Bindungsenergie. Aus diesem Grund sind die Atomkerne sehr stabil und schwer zu zerstören.

Ohne starke Wechselwirkungen gäbe es keine Atomkerne und Sterne und die Sonne wären nicht in der Lage, mithilfe der Kernenergie Wärme und Licht zu erzeugen.

Elektromagnetische Wechselwirkung werden mittels elektrischer und magnetischer Felder übertragen. Bei Anwesenheit elektrischer Ladungen entsteht ein elektrisches Feld, bei Bewegung entsteht ein magnetisches Feld. Ein sich änderndes elektrisches Feld erzeugt ein magnetisches Wechselfeld – dies ist die Quelle des magnetischen Wechselfelds. Diese Art der Wechselwirkung ist charakteristisch für elektrisch geladene Teilchen. Der Träger der elektromagnetischen Wechselwirkung ist ein Photon ohne Ladung – ein Quantum des elektromagnetischen Feldes. Bei der elektromagnetischen Wechselwirkung verbinden sich Elektronen und Atomkerne zu Atomen und Atome zu Molekülen. In gewissem Sinne ist diese Wechselwirkung grundlegend in der Chemie und Biologie.

Wir erhalten etwa 90 % der Informationen über die Welt um uns herum durch eine elektromagnetische Welle, da verschiedene Materiezustände, Reibung, Elastizität usw. werden durch die Kräfte der intermolekularen Wechselwirkung bestimmt, die elektromagnetischer Natur sind. Elektromagnetische Wechselwirkungen werden durch die Gesetze von Coulomb, Ampere und Maxwells elektromagnetischer Theorie beschrieben.

Elektromagnetische Wechselwirkung ist die Grundlage für die Entstehung verschiedener Elektrogeräte, Radios, Fernseher, Computer usw. Es ist etwa tausendmal schwächer als ein starkes, hat aber eine viel größere Reichweite.

Ohne Elektromagnetische Wechselwirkungen gäbe es keine Atome, Moleküle, Makroobjekte, Wärme und Licht.

3. Schwache Interaktion vielleicht zwischen verschiedenen Teilchen, mit Ausnahme des Photons, hat es eine kurze Reichweite und manifestiert sich in Abständen kleiner als die Größe des Atomkerns 10 -15 - 10 -22 cm. Schwache Wechselwirkung ist schwächer als starke Wechselwirkung und Prozesse mit schwacher Wechselwirkung laufen ab langsamer als bei starker Interaktion. Verantwortlich für den Zerfall instabiler Teilchen (zum Beispiel die Umwandlung eines Neutrons in ein Proton, Elektron, Antineutrino). Aufgrund dieser Wechselwirkung sind die meisten Teilchen instabil. Die schwachen Wechselwirkungsträger sind Ionen, Teilchen mit einer Masse, die 100-mal größer ist als die Masse von Protonen und Neutronen. Aufgrund dieser Wechselwirkung scheint die Sonne (ein Proton verwandelt sich in ein Neutron, Positron, Neutrino, das emittierte Neutrino hat eine enorme Durchdringungsfähigkeit).

Ohne schwache Wechselwirkungen wären Kernreaktionen in den Tiefen der Sonne und der Sterne nicht möglich und es würden keine neuen Sterne entstehen.

4. Gravitationswechselwirkung die schwächste, wird in der Theorie der Elementarteilchen nicht berücksichtigt, da bei charakteristischen Abständen (10 -13 cm) die Auswirkungen gering sind und bei kleinsten Abständen (10 -33 cm) und bei ultrahohen Energien die Schwerkraft wird wichtig und die ungewöhnlichen Eigenschaften des physikalischen Vakuums beginnen sich zu zeigen.

Schwerkraft (vom lateinischen gravitas – „Schwerkraft“) – die grundlegende Wechselwirkung ist weitreichend (das bedeutet, dass das Gravitationspotential an jedem Punkt im Raum, egal wie massiv sich ein Körper bewegt, nur von der Position des Körpers an einem bestimmten Ort abhängt Augenblick) und alle materiellen Körper sind ihm unterworfen. Grundsätzlich spielt die Schwerkraft im kosmischen Maßstab, der Megaworld, eine entscheidende Rolle.

Im Rahmen der klassischen Mechanik wird die Gravitationswechselwirkung beschrieben Gesetz der universellen Gravitation Newton, der die Kraft der Anziehungskraft zwischen zwei materiellen Massenpunkten angibt M 1 und M 2 durch Abstand getrennt R, Es gibt

Wo G- Gravitationskonstante.

Ohne Gravitationswechselwirkungen gäbe es keine Galaxien, Sterne, Planeten und keine Entwicklung des Universums.

Die Zeit, in der die Umwandlung von Elementarteilchen stattfindet, hängt von der Stärke der Wechselwirkung ab (bei starker Wechselwirkung treten Kernreaktionen innerhalb von 10 -24 - 10 -23 s auf, bei elektromagnetischen Veränderungen treten Veränderungen innerhalb von 10 -19 - 10 -21 s auf. , mit schwachem Zerfall innerhalb von 10 -10 s.).

Alle Wechselwirkungen sind notwendig und ausreichend für den Aufbau einer komplexen und vielfältigen materiellen Welt, aus der man nach Ansicht der Wissenschaftler etwas gewinnen kann Supermacht(Bei sehr hohen Temperaturen oder Energien vereinigen sich alle vier Kräfte zur Bildung eins).

Welche Kräfte kennen Sie? Schwerkraft, Fadenspannung, Federkompression, Kollisionen von Körpern, Reibungskraft, Explosion, Luft- und Medienwiderstand, Oberflächenspannung einer Flüssigkeit, Van-der-Waals-Kraft – und die Liste endet hier nicht. Aber alle diese Kräfte sind Ableitungen von vier Grundkräften! Wir werden über sie sprechen.

Vier Kräfte

Die Grundlage der Grundlagen physikalischer Gesetze sind vier grundlegende Wechselwirkungen, die für alle Prozesse im Universum verantwortlich sind. Wenn Elementarteilchen mit den Bausteinen der Existenz verglichen werden können, dann sind Wechselwirkungen der Zementmörtel. Stark, elektromagnetisch, schwach und gravitativ – in dieser Reihenfolge, von stark nach schwach, werden Wechselwirkungen betrachtet. Sie können nicht auf einfachere reduziert werden – deshalb werden sie als grundlegend bezeichnet.

Bevor wir mit der Beschreibung von Kräften beginnen, müssen wir erklären, was mit dem Wort „Wechselwirkung“ gemeint ist. Physiker betrachten es als Ergebnis des Austauschs bestimmter Intermediäre, wie sie üblicherweise genannt werden Träger der Interaktion.

Beginnen wir mit dem Intensivsten. Stark Die Wechselwirkung wurde in den 30er Jahren des letzten Jahrhunderts während der aktiven Erforschung des Atoms entdeckt. Es stellte sich heraus, dass die Integrität und Stabilität seines Kerns gerade durch die extrem starke Wechselwirkung gewährleistet ist Nukleonen untereinander.

Nukleonen(vom lateinischen Kern – Kern) – ein gebräuchlicher Name für Protonen und Neutronen, die Hauptbestandteile des Atomkerns. Unter dem Gesichtspunkt der starken Wechselwirkung sind diese Teilchen nicht unterscheidbar. Das Neutron ist 0,13 % schwerer als das Proton – dies reichte aus, um das einzige Elementarteilchen mit einer Ruhemasse zu werden, für das gravitative Wechselwirkungen beobachtet wurden.

Der Inhalt der Kerne wird durch spezielle Quanten – π-Mesonen, die die „offiziellen“ Träger der starken Wechselwirkung sind – zueinander angezogen. Diese Kernkraft ist 1038-mal stärker als die schwächste Wechselwirkung – die Gravitationskraft. Wenn die starke Kraft plötzlich verschwinden würde, würden die Atome im Universum augenblicklich zerfallen. Dahinter stecken Moleküle, dann Materie – die gesamte Realität um uns herum würde aufhören zu existieren, mit Ausnahme der Elementarteilchen. Ein interessantes Merkmal ihrer „Beziehung“ ist die Wechselwirkung im Nahbereich: Positiv geladene Teilchen, Protonen, werden nur bei direktem Kontakt zueinander angezogen.

Wenn die Protonen einen gewissen Abstand voneinander haben, elektromagnetisch eine Wechselwirkung, bei der sich gleichgeladene Teilchen abstoßen und ungleichgeladene Teilchen anziehen. Bei ungeladenen Teilchen tritt diese Kraft nicht auf – man erinnere sich an Coulombs berühmtes Gesetz über stationäre elektrische Punktladungen. Träger elektromagnetischer Kräfte sind Photonen, die unter anderem für die Übertragung von Sonnenenergie auf unseren Planeten sorgen. Der Ausschluss dieser Kraft droht der Erde mit dem völligen Einfrieren. Die elektromagnetische Wechselwirkung ist 1035-mal stärker als die Gravitationswechselwirkung, also nur 100-mal schwächer als die Kernwechselwirkung.

Die Natur hat eine weitere fundamentale Kraft bereitgestellt, die sich durch verschwindend geringe Intensität und einen sehr kleinen Wirkungsradius (weniger als ein Atomkern) auszeichnet. Das schwach Wechselwirkung – ihre Träger sind speziell geladene und neutrale Bosonen. Der Wirkungsbereich schwacher Kräfte ist vor allem der Betazerfall des Neutrons, begleitet von der Bildung eines Protons, eines Elektrons und eines (Anti-)Neutrinos. Solche Transformationen finden aktiv auf der Sonne statt, was die Bedeutung dieser grundlegenden Interaktion für Sie und mich bestimmt.

(Un)bekannte Schwerkraft

Alle beschriebenen Kräfte wurden ausreichend detailliert untersucht und sind organisch in das physikalische Weltbild integriert. Allerdings die letzte Kraft Gravitation zeichnet sich durch eine so geringe Intensität aus, dass man über sein Wesen noch rätseln muss.

Das Paradoxe der Gravitationswechselwirkung besteht darin, dass wir sie jede Sekunde spüren, den Träger jedoch in keiner Weise erkennen können. Es gibt nur eine Vermutung über die Existenz eines hypothetischen Gravitonquants, das Lichtgeschwindigkeit hat. Es ist zur Interferenz und Beugung fähig, weist jedoch keine Ladung auf. Wissenschaftler glauben, dass sich die Art seiner Bewegung ändert, wenn ein Teilchen ein Graviton aussendet, und dass eine ähnliche Situation auftritt, wenn ein Teilchen ein Quantum empfängt. Der Stand der technologischen Entwicklung erlaubt es uns noch nicht, Graviton zu „sehen“ und seine Eigenschaften genauer zu untersuchen. Die Intensität der Schwerkraft ist 1025-mal geringer als die der schwachen Wechselwirkung.

Wie ist es möglich, sagen Sie, dass die Schwerkraft überhaupt nicht schwach erscheint! Dies sind die einzigartigen Eigenschaften der fundamentalen Wechselwirkung Nr. 4. Zum Beispiel Universalität – jeder Körper mit beliebiger Masse erzeugt im Raum ein Gravitationsfeld, das jedes Hindernis durchdringen kann. Darüber hinaus nimmt die Schwerkraft mit der Masse des Objekts zu – eine Eigenschaft, die nur für diese Wechselwirkung charakteristisch ist.

Aus diesem Grund erzeugt die Erde, die im Vergleich zum Menschen gigantisch ist, um sich herum ein Gravitationsfeld, das Luft, Wasser, Gesteine ​​und natürlich lebende Materie an der Oberfläche hält. Wenn wir die Schwerkraft sofort aufheben, beträgt die Geschwindigkeit, mit der wir in den Weltraum fliegen, 500 m/s. Neben der elektromagnetischen Wechselwirkung hat die Schwerkraft einen weiten Wirkungsbereich. Daher ist seine Rolle im System der sich bewegenden Körper im Universum enorm. Selbst zwischen zwei Menschen, die weit voneinander entfernt sind, besteht eine mikroskopische Anziehungskraft.

Die Gravity Gun ist eine fiktive Waffe, die ein lokalisiertes Gravitationsfeld erzeugt. Mit der Waffe können Sie Objekte mithilfe der vom Feld erzeugten Kraft anziehen, heben und werfen. Dieses Konzept wurde erstmals im Computerspiel Half-Life 2 verwendet.

Stellen Sie sich einen Kreisel vor, der vertikal in der Mitte eines Ringrahmens montiert ist und sich frei um eine horizontale Achse dreht. Dieser Rahmen – nennen wir ihn innen – ist wiederum auf einem äußeren ringförmigen Rahmen befestigt, der sich ebenfalls frei in einer horizontalen Ebene dreht. Die Struktur um die Oberseite wird aufgerufen kardanisch, und das alles zusammen Gyroskop.

Im Ruhezustand dreht sich der Kreisel im Kreisel friedlich in vertikaler Position, doch sobald äußere Kräfte – zum Beispiel Beschleunigung – versuchen, die Drehachse des Kreisels zu drehen, dreht er sich senkrecht zu diesem Einfluss. Egal wie sehr wir versuchen, den Kreiselkreisel zu drehen, er dreht sich immer noch in vertikaler Position. Die fortschrittlichsten Gyroskope reagieren sogar auf die Rotation der Erde, was erstmals ein Franzose demonstrierte Jean Bernard Foucault im Jahr 1851. Wenn wir das Gyroskop mit einem Sensor ausstatten, der die Position der Oberseite relativ zum Rahmen liest, erhalten wir ein genaues Navigationsgerät, mit dem wir die Bewegung eines Objekts im Raum verfolgen können – beispielsweise eines Flugzeugs.

Gravitationseffekte

Die Schwerkraft kann bei großen, viel massereicheren Objekten im Weltraum einen grausamen Scherz spielen – zum Beispiel bei Sternen in späteren Entwicklungsstadien. Die Schwerkraft komprimiert den Stern und überwindet zu einem bestimmten Zeitpunkt den Innendruck. Wenn der Radius eines solchen Objekts kleiner als die Schwerkraft wird, tritt es auf Zusammenbruch, und der Stern erlischt. Es kommen daraus keine weiteren Informationen, selbst Lichtstrahlen können die gigantische Schwerkraft nicht überwinden. So entsteht ein Schwarzes Loch.

Planeten, viel kleinere Objekte, haben ihre eigenen Gravitationseigenschaften. Die Erde krümmt also aufgrund ihrer eigenen Masse die Raumzeit und verdreht sie durch ihre Rotation! Diese Phänomene werden als geodätische Präzession bzw. gravitomagnetischer Effekt bezeichnet.

Was ist geodätische Präzession? Stellen wir uns vor, dass sich in der Umlaufbahn unseres Planeten ein Objekt bewegt, auf dessen Oberfläche (in der Schwerelosigkeit) ein Kreisel mit hoher Geschwindigkeit rotiert. Seine Achse weicht in der Bewegungsrichtung mit einer Intensität von 6,6 Bogensekunden pro Jahr ab. Die Erde krümmt mit ihrer Masse die umgebende Raumzeit und erzeugt so eine Art Kerbe in ihr.

Gravitomagnetischer Effekt(Lensee-Thirring-Effekt) lässt sich gut durch die Rotation eines Stabes in dickem Honig veranschaulichen: Er trägt eine zähe, süße Masse mit sich und bildet einen Spiralwirbel. Ebenso dreht die Erde die „Honig“-Raumzeit um ihre Achse. Und dies wird wiederum durch die Achse des Kreisels dokumentiert, die pro Jahr um mikroskopische 0,04 Bogensekunden in Richtung der Erdrotation abweicht.

Unser Planet beeinflusst mit seiner Schwerkraft Zeit und Raum. Diese Aussage blieb lange Zeit nur eine Hypothese Einsteins und seiner Anhänger, bis die Amerikaner 2004 den Satelliten Gravity Probe-B starteten. Das Gerät drehte sich in der polaren Umlaufbahn der Erde und war mit den genauesten Gyroskopen der Welt ausgestattet – komplizierten Analoga von Kreiseln. Die Komplexität dieser technischen Meisterwerke zeigt sich daran, dass die Unregelmäßigkeiten auf den Kreiselkugeln nicht mehr als zwei bis drei Atome betrugen. Wenn man diese Miniaturkugeln auf die Größe der Erde vergrößert, dann wird die Höhe der größten Unebenheit nicht mehr als drei Meter betragen! Solche Tricks waren nötig, um genau diese Krümmung der Raumzeit experimentell festzustellen. Und nach 17 Monaten Arbeit im Orbit zeichnete das Gerät eine Verschiebung der Rotationsachsen von vier Supergyros gleichzeitig auf!

Während des Gravity Probe-B-Experiments wurden zwei Effekte der Allgemeinen Relativitätstheorie nachgewiesen: die Krümmung der Raumzeit (geodätische Präzession) und das Auftreten zusätzlicher Beschleunigung in der Nähe massiver Körper (gravitomagnetischer Effekt).

Die Schwerkraft hat viele andere, viel offensichtlichere Auswirkungen. Beispielsweise gibt es in unserem Körper kein einziges Organ, das nicht an die Schwerkraft angepasst ist.

Aus diesem Grund ist es für einen Menschen so ungewöhnlich und sogar gefährlich, sich über einen längeren Zeitraum in einem Zustand der Schwerelosigkeit zu befinden: Das Blut wird im Körper so umverteilt, dass es einen übermäßigen Druck auf die Gefäße des Gehirns und der Knochen ausübt Mit der Zeit verweigern sie die Aufnahme von Kalziumsalzen und werden spröde, wie Schilfrohr. Nur durch ständige körperliche Aktivität kann sich ein Mensch teilweise vor den Auswirkungen der Schwerelosigkeit schützen.

Das Gravitationsfeld des Mondes wirkt sich auf die Erde und ihre Bewohner aus – Ebbe und Flut kennt jeder. Aufgrund der Zentrifugalkraft entfernt sich der Mond pro Jahr um 4 cm von uns und die Intensität der Gezeiten nimmt unaufhaltsam ab. In der Vorgeschichte war der Mond viel näher an der Erde und dementsprechend waren die Gezeiten von Bedeutung. Vielleicht war dies der Hauptfaktor, der die Entstehung lebender Organismen an Land vorherbestimmte.

Auch wenn wir immer noch nicht wissen, welches Teilchen für die Schwerkraft verantwortlich ist, können wir es messen! Zu diesem Zweck wird ein spezielles Gerät verwendet - Gravimeter, mit dem Geologen aktiv auf der Suche nach Mineralien arbeiten.

In der Dicke der Erdoberfläche haben Gesteine ​​unterschiedliche Dichten und daher variiert auch ihre Gravitationskraft. Auf diese Weise können Sie Lagerstätten leichter Kohlenwasserstoffe (Öl und Gas) sowie dichte Gesteine ​​aus Metallerzen identifizieren. Sie messen die Anziehungskraft, indem sie kleinste Änderungen der Geschwindigkeit des freien Falls eines Körpers mit bekannter Masse oder den Hub eines Pendels aufzeichnen. Zu diesem Zweck führten sie zu Ehren sogar eine spezielle Maßeinheit ein – Gal (Gal). Galileo Galilei, der als erster in der Geschichte die Schwerkraft durch Messung der Bahn eines frei fallenden Körpers bestimmte.

Langzeitstudien der Gravitationskraft der Erde aus dem Weltraum haben es ermöglicht, eine Karte der Gravitationsanomalien auf unserem Planeten zu erstellen. Ein starker Anstieg der Schwerkraft auf einem bestimmten Stück Land kann ein Vorbote eines Erdbebens oder eines Vulkanausbruchs sein.

Die Untersuchung grundlegender Wechselwirkungen gewinnt immer mehr an Dynamik. Man kann nicht mit Sicherheit sagen, dass es nur vier Kräfte gibt – es könnten fünf oder zehn sein. Wissenschaftler versuchen, alle Wechselwirkungen unter dem „Dach“ eines Modells zusammenzufassen, aber seine Entstehung liegt noch in weiter Ferne. Und der Hauptschwerpunkt wird zu einem hypothetischen Graviton. Skeptiker argumentieren, dass Menschen dieses Quantum aufgrund seiner zu geringen Intensität nie entdecken können, Optimisten glauben jedoch an die Zukunft der Technologie und der physikalischen Methoden. Kommt Zeit, kommt Rat.