1.3 Фундаментальные взаимодействия

Аннотация. Обращается внимание на то, что формирование научного мировоззрения, мотивации и развития обучаемых, большое значение имеет целостное представление содержания образования, отражающее современное представление о физической картине мира, в основе которой лежат четыре фундаментальных взаимодействия: сильное, электромагнитное, слабое, гравитационное. Предлагается рассмотрение фундаментальных взаимодействий на этапе актуализации знаний при изучении Солнечной системы, и их проявление в ее объектах.

Фундаментальные теории и фундаментальные взаимодействия.

«Физическая картина мира – наиболее общая и конкретная форма отражения природы в сознании человека. Поэтому современная методика обучения физике и астрономии призвана формировать в сознании учащегося объективное представление о целостной физической картине мира, которая играет большое мировоззренческое значение». [8] Целостному представлению о физической картине мира служит системный подход в представлении учебного материала в программах и содержании учебников интегрированной дисциплины «физика и астрономия» в школе. Для успешной реализации целей и задач обучения рекомендована технология укрупнения дидактических единиц (УДЕ) [8,9].

В современном мире научная информация удваивается примерно за два года. Это требует от методики преподавания усиления роли интенсивных методов обучения, в которых синтезу отводится ведущая роль. Интенсификация учебно-воспитательного процесса путем укрупнения дидактических единиц учебных материалов – это подход: анализ через синтез. В основе традиционного подхода лежит экстенсивный метод, дробление учебного материала на мелкие дидактические единицы, темы. Бесконечное дробление учебного материала «отчуждает» ученика от целостного его представления. В качестве примера системно-целостного представления изучаемого предмета, авторы [8] представляют целостную физическую картину мира, построенную на основе фундаментальных теорий. Целостное представление содержания образования играет важную роль в формировании научного мировоззрения, мотивации и развития обучаемых. Такая системно – целостная картина представляется восемью физическими теориями, одни из которых уже разработаны, другие разрабатываются. Учащимся предлагается изучение не множества понятий, законов, формул, а всего восемь теорий. Это не так отпугивает от «трудного» предмета, которым часто для учащихся оказывается «физика».

Фундаментальные физические теории опираются на фундаментальные взаимодействия, которые связаны с некоторыми постоянными величинами. В физике используются различные постоянные величины. Например, постоянные Больцмана, Авогадро, число Лошмидта, механические, тепловые, электрические, оптические характеристики свойств физических систем, приводимые в справочных таблицах и другие. Исторические этапы развития физики связаны с тремя фундаментальными постоянными: G, c, h (гравитационная постоянная, скорость света, постоянная Планка). Первая из восьми указанных выше теорий – классическая механика Ньютона не содержит универсальных постоянных. Каждая из следующих теорий содержит одну или несколько из них. Восьмой, последней физической теорией должна быть квантовая релятивистская гравитационная механика (QRGM), в которую войдут все три постоянные. На рис. 1 представлена целостная модель физической картины мира [8].

М – классическая механика Ньютона (универсальных констант не содержит); GM – классическая ньютоновская гравитационная механика (константа G); RM – релятивистская механика (константа с); QM – квантовая механика (константа h); RQM - релятивистская квантовая механика (константы с, h); GM - квантовая гравитационная механика (константы h, G); QRGM - квантовая релятивистская гравитационная механика (константы с, h, G).

Физические состояния, явления, процессы определяются взаимодействиями между элементами входящими в систему. Взаимодействия многообразны по своему проявлению. С точки зрения современной физики они сводятся к четырем фундаментальным взаимодействиям, которые при определенных условиях могут проявляться как единое взаимодействие. Различные виды фундаментальных взаимодействий являются объектом изучения общей и теоретической физики. При изучении Солнечной системы в курсе астрономии при подготовке бакалавра важен этап актуализации необходимых знаний.

Взаимодействие характеризуется интенсивностью, радиусом действия, от которых зависит область их применения. Константа взаимодействия как основная безразмерная характеристика определяет вероятность процессов, обусловленных данным видом взаимодействия. По интенсивности взаимодействия принято располагать в порядке убывания: сильное (ядерное), электромагнитное, слабое, гравитационное. Взаимодействия сравнивают по скорости процессов. При Е ~ 1 Гэв: для сильного ~ 10^-24 с, для электромагнитного ~ 10^-21 с, для слабого ~ 10^-10 с. Поэтому в мире элементарных частиц, процессы обусловленные слабым взаимодействием, протекают очень медленно. Это характерное время процессов в мире элементарных частиц. Другая характеристика – длина свободного пробега частицы в веществе. Адроны (сильное взаимодействие) можно задержать железной плитой, толщиной несколько десятков сантиметров; ν нейтрино, обладающие только слабым взаимодействием λ ~ несколько миллионов километров. Гравитационное взаимодействие при энергии ~ 1 Гэв слабее сильного в 1033 раз. Однако, в повседневной жизни [10 стр. 692]

В объектах Солнечной системы действуют все виды взаимодействий. Их роль зависит от структурного уровня материи и пространственных масштабах. Значительная часть видимого вещества Солнечной системы находится в молекулярном, атомном или ионном состоянии. Связь протонов и нейтронов, образующих ядра этих частиц, обеспечивается сильным взаимодействием. Устойчивость частиц, ядра и электронной оболочки, обеспечивает электромагнитное взаимодействие. Наличие заряженных частиц и электрических и магнитных полей различной природы также приводит к тому, что электромагнитное взаимодействие существенно влияет на явления и процессы в Солнечной системе. Солнце является центральным телом, излучение которого формирует физические условия в Солнечной системе. Значительная роль гравитационного взаимодействия, как и электромагнитного, обусловлена бесконечно большим радиусом действия. Радиус действия слабого взаимодействия очень мал. Например, при расстоянии между атомами порядка в 10^-10 м (кристаллическая решетка) слабое взаимодействие очень мало. В то же время, энергия Солнца – результат термоядерного синтеза, протекающего в его центральной области. Термоядерный синтез, то есть реакция слияния легких ядер. В недрах Солнца слияние при синтезе четырех нуклонов образуется ядро гелия. Взаимодействие нуклонов – это сильное взаимодействие, но оно протекает при активном участии слабого взаимодействия, основной особенностью которого является выделение нейтрино. Гравитационная постоянная G мала, поэтому гравитационное взаимодействие на Земле проявляется только в форме падения тел на Землю. Между различными телами на Земле взаимодействие мало вследствие их малой массы. При большой массе Солнца и планет роль гравитационного взаимодействия в Солнечной системе становится значимой. Именно оно определяет устойчивость Солнечной системы, траектории движения планет, и различных малых тел. Поэтому при дальнейшем рассмотрении гравитационному взаимодействию уделено большее внимание.