Тема 1.6. Развитие представлений о взаимодействии

O Основные понятия

Представления Аристотеля о взаимодействии: одностороннее воздействие движущего на движимое; первоначальная форма концепции близкодействия (передача воздействия только через посредников, при непосредственном контакте)

Механическая картина мира:

• возникновение концепции взаимодействия (третий закон Ньютона)

• открытие фундаментального взаимодействия (закон всемирного тяготения)

• принятие концепции дальнодействия (мгновенной передачи взаимодействия через пустоту на любые расстояния)

Электромагнитная картина мира:

• открытие второго фундаментального взаимодействия (электромагнитное)

• возврат к концепции близкодействия (взаимодействие передаётся только через материального посредника — физическое поле — с конечной скоростью)

• полевой механизм передачи взаимодействий (заряд создаёт соответствующее поле, которое действует на соответствующие заряды)

Современная научная картина мира:

• четыре фундаментальных взаимодействия (гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое)

• квантово-полевой механизм передачи взаимодействий (заряд испускает виртуальные частицы-переносчики соответствующего взаимодействия, поглощаемые другими аналогичными зарядами)

• частицы-переносчики фундаментальных взаимодействий (фотоны, гравитоны, глюоны, промежуточные векторные бозоны)

Фундаментальные взаимодействия, преобладающие между объектами:

• микромира (сильное, слабое и электромагнитное)

• макромира (электромагнитное)

• мегамира (гравитационное)

& Краткое содержание

Одностороннее влияние окружения на объект – воздействие

«Двустороннее» - взаимодействие.

Взаимодействие- философская категория, отражающая процессы воздействия различных объектов друг на друга, их взаимную обусловленность, взаимопереход и порождение одним объектом другого.

Под взаимодействиемпонимается развертывающийся во времени и пространстве процесс воздействия одних объектов на другие путем обмена материей и движением.

Универсальные свойства взаимодействия

1. Взаимодействие, так же, как и движение, является атрибутом материи.

2. Взаимодействие всегда осуществляется в пространстве и времени.

В природе нет ни одного явления, при описании которого бы не использовалось это понятие.

Взаимодействие проявляется на всех структурных уровнях материи. Взаимодействие объективно определяет существование, структурную организацию и развитие любой материальной системы.

В силу универсальности взаимодействия осуществляется взаимная связь всех структурных уровней материи, материальное единство мира.

Не существует объектов вне взаимодействия с другими объектами: Например,

• структура атомного ядра, обусловлена взаимодействием между нуклонами;

• структура атома обусловлена взаимодействием между ядром и электронной оболочкой;

• структура кристалла – взаимодействием между атомами вещества;

• структура Солнечной системы – между Солнцем и планетами и т.д.

Концепции взаимодействия

Исторически возникли две концепции взаимодействия - близкодействие и дальнодействие.

1) Концепция дальнодействия

Согласно этой концепции взаимодействие между объектами мгновенно передается через пустое пространство на сколь угодно большие расстояния без каких-либо промежуточных звеньев. Открытие электромагнитного поля показало, что концепция дальнодействия неверна. Концепция дальнодействия выступает как удобная модель, которую мы можем использовать для решения практических задач в тех случаях, когда скорость взаимодействия очень мала (намного меньше скорости света).

2) Концепция близкодействия

Согласно этой концепции взаимодействие между объектами осуществляется с помощью промежуточных промежуточной звеньев (например, полей, среды, частиц). При этом любое взаимодействие протекает с конечной скоростью, пределом которой является скорость света в вакууме, и нуждается в носителе передачи взаимодействия. В современной концепции близкодействия различают две модели:

• полевая модель– взаимодействие осуществляется посредством некоторых физических полей. Их примерами могут служить гравитационное и электромагнитное поля.

• квантовая модель– взаимодействие между микрочастицами осуществляется путем обмена виртуальными частицами — переносчиками взаимодействия.

В природе существуют четыре фундаментальные силы и все физические явления обусловлены всего четырьмя видами взаимодействий. Эти взаимодействия также называются фундаментальными, т.к. они определяют структуру объектов во Вселенной и к ним сводятся все известные взаимодействия в Природе

К основным характеристикамфундаментальных взаимодействий относят

• интенсивность взаимодействия(характеризуется безразмерной константой связи)

• радиус действия, т.е. расстояния, на которых данное взаимодействие проявляет себя заметным образом.

Типыфундаментальных взаимодействий(в порядке убывания силы):

• сильноевзаимодействиесоединяет кварки в адроны и удерживает нуклоны в составе атомного ядра, т.е. обусловливает связь между протонами и нейтронами в ядрах атомов. Оно является наиболее интенсивным из всех фундаментальных взаимодействий, действует на расстояниях порядка 10^-15м;

• электромагнитное взаимодействие– взаимодействие между электрически заряженными частицами, а также магнитное взаимодействие тел, обусловленное наличием у них электрических зарядов или магнитных моментов; осуществляется посредством электромагнитного поля; «ответственно» за явления электромагнетизма; примеры – силы Кулона и силы Ампера; примерно в сто раз менее интенсивно, чем сильное; его силы медленно убывают с расстоянием (обратно пропорционально квадрату расстояния), и радиус его действия принимают равным бесконечности;

• слабое взаимодействиеобусловливает большинство распадов элементарных частиц, взаимодействия нейтрино с веществом и др.; обусловлено обменом промежуточными бозонами (действует на расстоянии порядка 10^-18м); пример – бета-распад;

• гравитационное взаимодействие– взаимодействие, возникающее между телами за счет всемирного тяготения; благодаря ему объекты, имеющие массу, притягиваются друг к другу; является наименее интенсивным, его силы медленно убывают с расстоянием, и радиус его действия считают бесконечным

Человек может воспринимать два типа взаимодействий: гравитационное и электромагнитное. Сильное и слабое взаимодействия непосредственно не воспринимаются человеком, но они играют основополагающую роль в образовании разнообразных объектов микромира.

Согласно новейшим теориям, взаимодействие происходит благодаря переносу частицы-носителя взаимодействия между взаимодействующими частицами. Например, электромагнитное взаимодействие между двумя электронами происходит в результате переноса фотона между ними. Природа гравитационного взаимодействия пока точно неизвестна, предположительно оно происходит в результате переноса гипотетических частиц гравитонов.

В настоящее время заметна тенденция к объединению фундаментальных взаимодействий. Первым успехом здесь стало объединение электромагнитного и слабого взаимодействий в единоеэлектрослабое взаимодействие. Осуществляются попытки объединения электрослабого и сильного взаимодействий.

Многие физики-теоретики полагают, что в действительности в природе имеется лишь одно взаимодействие, которое может проявляться в четырёх формах(подобно тому, как всё многообразие химических реакций есть различные проявления одних и тех же квантовых эффектов). Как предполагают, в момент Большого взрыва действовало единое взаимодействие, которое разделилось на четыре в первые мгновения существования нашего мира. Задача фундаментальной физики — разработка теории «великого объединения» взаимодействий —суперобъединения.

Величины, описывающие взаимодействие

Количественными характеристиками взаимодействия являются

• сила (но имеет однозначный смысл только для механических взаимодействий и не применимо для тепловых, химических и др. взаимодействий);

• импульс силы

• энергия (используется для точного описания всех физических, химических и биохимических взаимодействий)

Взаимодействие является исходным и конечным пунктом познания природы. Любой объект может быть изучен лишь при взаимодействии его с исследователем.

Удивительно то, что в процессе познания меняется как объект познания, субъект познания, так и само взаимодействие объекта и субъекта (люди, изучая природу, изменяют ее, изменяются сами, изменяют характер взаимодействия с природой).

Различные науки изучают различные виды взаимодействий:

• физика изучает силовые взаимодействия на всех уровнях организации материи;

• химия изучает особенности химических взаимодействий (атомов, молекул, ионов, радикалов, макроскопических тел);

• современная биология исследует взаимодействие на молекулярном, субклеточном, клеточном, организменном, популяционно-видовом, биогеоценотическом, биосферном уровнях организации жизни.

Еще более сложные взаимодействия, изучаемые социальными науками, характеризуют жизнь общества, но они выходят за рамки объекта исследований естественных наук.

!!! СМ. также схемы по физическим картинам мира к теме 1.4.