Какие виды взаимодействий Вы знаете и какие из них играют важную роль в повседневной жизни и почему

7.   Какие виды взаимодействий Вы знаете и какие из них играют важную роль в повседневной жизни и почему.

В настоящее время известны четыре типа взаимодействий: гра­витационные, слабые, электромагнитные и сильные. Физике XVII—XVIII вв. были известны только гравитационные взаимодей­ствия. Было найдено, что гравитационные силы прямо пропорцио­нальны произведению масс и обратно пропорциональны квадрату расстояния между массами. Мы постоянно ощущаем гравитацию в на­шей жизни. Гравитация (лат gravifas "тяжесть"), или тяготение, не очень существенна при взаимодействии между малыми частицами, но она удерживает планеты, всю Солнечную систему и галактики. По закону всемирного тяготения (открытого Ньютоном), описываю­щему это взаимодействие в хорошем приближении, две точечные массы притягивают друг друга с силой, направленной вдоль соеди­няющей их прямой: F_гр= - Gm₁*m₂/r²

Знак минус указывает, что мы имеем дело с притяжением, r — расстояние между телами (считается, что размер тел много меньше г), m₁ и m₂ — массы тел. Величина G — универсальная постоянная, определяющая величину гравитационных сил. Если тела массами в 1 кг находятся на расстоянии 1 м друг от друга, то сила притяжения между ними равна 6,67-10¹¹ Н. Если бы величина G была больше, то увеличилась бы и сила. Утверждение об универсальности постоян­ной G означает, что в любом месте Вселенной и в любой момент времени сила притяжения между массами в 1 кг, разделенными рас­стоянием в 1 м, будет иметь то же значение. Поэтому можно гово­рить об универсальности постоянной G и о том, что она определяет структуру гравитирующих систем.

Обратимся теперь к электромагнитному взаимодействию. И элек­трические, и магнитные силы обусловлены электрическими заряда­ми. Силы взаимодействия между зарядами сложным образом зависят от положения и движения зарядов. Если два заряда e1 и е2, непод­вижны и сосредоточены в точках на расстоянии г, то взаимодействие между ними чисто электрическое и определяется простой зависимос­тью (закон Кулона):

Здесь сила электрического взаимодействия, направленная вдоль прямой, соединяющей заряды, будет силой притяжения или оттал­кивания в зависимости от знаков зарядов е₁ и е₂ Через e обозначе­на универсальная постоянная, определяющая интенсивность элект­ростатического взаимодействия, ее значение 8,85 • 10¹² Ф/м. Электрический заряд всегда связан с элементарными частицами. Численная величина заряда наиболее известных среди них — протона и электрона — одинакова: это универсальная постоянная, равная 1,6 *10 ^-19 Кл. Заряд протона считается положительным (обозначает­ся е), электрона — отрицательным.

Магнитные силы полностью порождаются электрическими тока­ми — движением электрических зарядов. Существуют попытки объе­динения теорий с учетом симметрий, в которых предсказывается су­ществование магнитных зарядов, но они пока не обнаружены. По­этому величина е определяет и интенсивность магнитного взаимо­действия.

Если электрические заряды движутся с ускорением, то они отда­ют энергию в виде света, радиоволн или рентгеновских лучей. Види­мый свет является электромагнитным излучением определенного ди­апазона частот. Почти все носители информации, воспринимаемые нашими органами чувств, имеют электромагнитную природу, хотя и проявляются подчас в сложных формах. 'Электромагнитные взаимо­действия определяют структуру и поведение атомов, удерживают атомы от распада, отвечают за связи между молекулами, т.е. за химические и биологические явления. Гравитация и электромагнетизм — дальнодействующие силы, распространяющиеся на всю Вселенную.

Сильные и слабые ядерные взаимодействия — короткодействую­щие и проявляются только в пределах размеров атомного ядра.

Слабое взаимодействие ответственно за многие ядерные процес­сы, например, такие, как превращение нейтронов в протоны, и сильнее других сказывается на превращениях частиц. Поэтому эф­фективность слабого взаимодействия можно охарактеризовать уни­версальной постоянной связи g(W), определяющей скорость протека­нии процессов типа распада нейтрона. Через ядерное слабое взаимо­действие одни субатомные частицы могут превращаться в другие.

Сильное ядерное взаимодействие имеет более сложную природу. Именно оно препятствует распаду атомных ядер, и не будь его, ядра распались бы из-за сил электрического отталкивания протонов. С этим типом взаимодействия связаны энергия, выделяемая Солн­цем и звездами, превращения в ядерных реакторах и освобождение энергии. В ряде простейших случаев для его характеристики можно ввести величину g(S), аналогичную электрическому заряду, но мно­го большую. Здесь есть некоторые особенности — сильное взаимо­действие не удовлетворяет закону обратной пропорциональности, как гравитационное или электромагнитное: оно очень резко спадает за пределами эффективной области радиусом около 10^-15м. Кроме того, внутри протонов и нейтронов также существует сильное взаимодей­ствие между теми элементарными частицами, из которых они состо­ят, следовательно, взаимодействие протонов и нейтронов есть отражение их внутренних взаимодействий. Но пока картина этих глубин­ных явлений скрыта от нас.

Перечисленные типы взаимодействий имеют, видимо, разную природу. К настоящему времени неясно, исчерпываются ли ими все взаимодействия в природе. Самым сильным является короткодейству­ющее сильное взаимодействие, электромагнитное слабее его на два порядка, слабое — на 14 порядков, а гравитационнное — самое сла­бое, оно меньше сильного на 39 порядков. В соответствии с величи­ной сил взаимодействия они происходят за разное время. Сильные ядерные взаимодействия происходят при столкновении частиц с око­лосветовыми скоростями, и время реакций, определяемое делением радиуса действия сил на скорость света, дает величину порядка 10^-23 с. В случае слабого взаимодействия процессы происходят медлен­ней — за 10^-9 с. Характерные времена для гравитационного взаимо­действия порядка 10¹⁶ с, или 300 млн лет.

Среди электромагнитных взаимодействий для примера можно выделить химическую реакцию, в медицине - рентгеновское обследование. Что касается любви – то это соединение всех четырех взаимодействий в одно.

8.   В чем суть соотношения неопределенностей Гейзенберга? Как Вы понимаете слова Ричарда Феймана: «Микрочастицы не похожи ни на что, из того, что Вам хоть когда-нибудь приходилось видеть».

Гейзенберг представил физические величины как совокупность всех возможных амплитуд перехода из одного квантового состояния в другие. Сама вероятность перехода пропорциональна квадрату мо­дуля амплитуды, именно эти амплитуды и наблюдаются в экспери­ментах. Тогда каждая величина должна иметь два индекса, соответ­ствующих верхнему и нижнему состояниям. Эти величины называ­ются матрицами. Гейзенберг получил и уравнения для наблюдаемых величин, но в первоначальном виде они были сложными. В 1926 г. он сумел объяснить отличие двух систем термов для пара- и ортогелия как соответствующих симметричным и антисимметричным решениям его уравнения.

Гейзенберг в решении проблем, которыми начал заниматься с 1925 г., шел от наглядных феноменологических моделей. В 1927 г. он при поддержке Бора и его школы предложил устранить противоре­чие волна — частица, которое он понимал как некую аналогию. Счи­тая, что "совокупность атомных явлений невозможно непосредствен­но выразить нашим языком", он предложил отказаться от представ­ления о материальной точке, точно локализованной во времени и пространстве. Либо точное положение в пространстве при полной не­определенности во времени, либо наоборот — таково требование квантовых скачков.

Так Гейзенберг пришел к формулировке принципа неопределенно­сти, устанавливающего границы применимости классической физи­ки. Этот принцип, принесший ему большую известность и до сих пор вызывающий дискуссии, представляет фундаментальное положение квантовой теории, отражая ограничение информации о микробъектах самими средствами наблюдения. Гейзенберг подсчитал Предельную точность определения положения и скорости электрона из так называемых перестановочных соотношений квантовой меха­ники. В то время в моде были мысленные эксперименты. Допустим, в какой-то момент нам нужно угнать положение и скорость электрона. Самый точный метод — осветить электрон пучком фотонов. Электрон столкнется с фотоном, и его положение будет определено с точ­ностью до длины волны используемого фотона. Для максимальной точности нужно использовать фотоны наимень­шей длины, т. е. большей частоты, или обладающие большими энер­гией Е и импульсом hv/c. Но чем больше импульс фотона, тем силь­нее он исказит импульс электрона. Чтобы знать точно положение электрона, нужно использовать фотоны бесконечной частоты, но тогда и импульс его будет бесконечным, так что количество движе­ния электрона будет совершенно неопределенным. И, наоборот, же­лая определить точно импульс электрона, из аналогичных рассужде­ний придем к неопределенности и положении. Выразив неопределен­ность положения как Dq, а неопределенность импульса как р, полу­чим Dq Dр³h. Если взять сопряженные им величины — энергию Е и время t, то квантово-механическое соотношение неопределенности для них будет Dt DЕ³h.

Высказывание Ричарда Феймана лишь доказывает что, сложно представить частицу, которая бы обладала свойствами и волны, и частицы.