mozok.click » Фізика » Фундаментальні взаємодії у природі. Межі застосування фізичних законів і теорій
Інформація про новину
  • Переглядів: 2280
  • Автор: admin
  • Дата: 13-01-2018, 15:09
13-01-2018, 15:09

Фундаментальні взаємодії у природі. Межі застосування фізичних законів і теорій

Категорія: Фізика

Фізики встановили існування чотирьох видів взаємодії між частинками: сильна, електромагнітна, слабка та гравітаційна (зазначено в порядку зменшення інтенсивності). Сучасні теорії всіх взаємодій є квантовими.

Інтенсивність будь-якої взаємодії прийнято характеризувати за допомогою так званої сталої взаємодії, яка визначає ймовірність процесів, обумовлених даним видом взаємодії. Відношення значень констант показує відносну інтенсивність відповідних взаємодій, що дає змогу порівняти їх.

Найбільш універсальною поміж взаємодій є гравітаційна - вона виникає між будь-якими тілами, що мають масу.

У фізиці частинок гравітаційна взаємодія не відіграє майже ніякої ролі на відстанях, більших за 10-35 м. При менших відстанях або дуже

великих енергіях ця взаємодія за значенням порівнюється з іншими взаємодіями.

Електромагнітна взаємодія виникає між тілами, що мають електричний заряд.

Слабка і сильна взаємодії - ядерні. Слабка взаємодія керує розпадом більш важких частинок на більш легкі й змінює внутрішню природу частинок.

Сильна взаємодія - це взаємодія між кварками (складові частинки ядра), яка й обумовлює ядерну взаємодію, а також різні ядерні реакції. Ця взаємодія майже в 1037 разів сильніша порівняно з гравітаційною.

Кожній фундаментальній взаємодії відповідає своя частинка, яка переносить цю взаємодію. Для гравітації - це гравітони, для електромагнітної взаємодії - фотони, сильна взаємодія обумовлюється глюонами, слабка -векторними бозонами.

Як же здійснюються ці взаємодії?

Механізм взаємодій один: за рахунок обміну іншими частинками -переносниками взаємодії.



Електромагнітна взаємодія: переносник - фотон. Гравітаційна взаємодія: переносники - кванти поля тяжіння - гравітони. І фотони, і гравітони не мають маси (маси спокою) і завжди рухаються зі швидкістю світла. Слабкі взаємодії: переносники - векторні бозони. Істотною відмінністю переносників слабкої взаємодії від фотона і гравітона є їх масивність. Переносники сильних взаємодій - глюони (англ. glue - «клей») з масою спокою, що дорівнює нулю.

Ряд істотних відкриттів, зроблених у фундаментальній фізиці, особливо у фізиці високих енергій, важливі експериментальні результати відкривають глибокий взаємозв’язок частинок і прихованих сил, що діють усередині речовини. Учені висунули ідею, згідно з якою вся природа підпорядкована дії якоїсь суперсили, яка є досить потужною, щоб створити наш Всесвіт і наділити його світлом, енергією, матерією та надати йому структури. У суперсилі матерія, простір-час і взаємодія злиті в нероздільне гармонійне ціле, що породжує таку єдність Всесвіту, якої раніше ніхто і не припускав.

Фундаментальні закони є досить абстрактними формулюваннями, що не є наслідком експериментів. Зазвичай фундаментальні закони «вгадуються», а не виводяться з емпіричних. Кількість таких законів дуже обмежена (наприклад, класична механіка має лише чотири фундаментальних закони: три закони Ньютона і закон всесвітнього тяжіння). Численні емпіричні закони є наслідками (іноді зовсім не очевидними) фундаментальних. Критерієм істинності останніх є відповідність конкретних наслідків експериментальним спостереженням. Усі відомі на сьогодні фундаментальні закони описуються досить простими математичними виразами. Межі застосування фундаментальних законів обмежені. Ця обмеженість не пов’язана з математичними неточностями, а має більш фундаментальний характер: при виході за межі застосування фундаментального закону починають втрачати сенс самі поняття, що використовуються у формулюваннях. Так, для мікрооб’єктів виявляється неможливим строге визначення понять прискорення і сили, що обмежує застосування законів Ньютона.

Обмеженість застосування фундаментальних законів природно приводить до питання про існування ще більш загальних законів. Такими є закони збереження. Наявний досвід розвитку природознавства показує, що закони збереження не втрачають свого сенсу при заміні однієї системи фундаментальних законів іншою. У більшості випадків закони збереження не здатні дати такого повного опису явищ, яке дають фундаментальні закони, а лише накладають певні заборони на реалізацію тих чи інших станів при еволюції системи.


Ми вже говорили, що перший закон Ньютона виконується тільки в інерціальних системах відліку. Другий закон також виконується лише в інерціальних системах. Третій закон виконується і в неінерціальних системах, але не завжди. Він не виконується для так званих сил інерції. Отже, першим обмеженням законів Ньютона є те, що вони виконуються тільки в інерціальних системах відліку.

Механіка Ньютона є механікою малих швидкостей (порівняно зі швидкістю поширення світла).

Виявилося, що рух у мікросвіті (світі молекул, атомів і елементарних частинок) підпорядковується іншим законам. Тому механіка Ньютона незастосовна до мікросвіту, вона є механікою великих тіл (звичайно, порівнянних з розмірами молекул).

Отже, класична механіка Галілея-Ньютона виконується лише в інерціальних системах для великих тіл, які рухаються з малими швидкостями, а тому вважати її універсальною не можна. Це потрібно пам’ятати під час розв’язування практичних задач.

 


Кожен фізичний закон має свої межі застосування. Це, у першу чергу, стосується закону збереження механічної енергії. Перше важливе обмеження цього закону - система розглядуваних тіл має бути ізольована від зовнішніх впливів. Таку систему називають замкнутою. Друге обмеження пов’язане з тим, що не завжди робота однозначно визначається зміною потенціальної енергії тіла під час переміщення його з однієї точки поля в іншу. Однозначне визначення роботи як міри зміни потенціальної енергії має місце лише для певних типів полів, які називають потенціальними. Прикладами таких полів є гравітаційне або електростатичне поле. Потенціальними вважаються поля, робота сил яких не залежить від траєкторії руху тіла в полі. Відповідно, сили цих полів називають консервативними. Якщо робота сил залежить від форми шляху або сили залежать від швидкості руху, то механічна енергія системи не зберігається. Наприклад, сили тертя, які не є консервативними, присутні в усіх випадках. Отже, закон збереження механічної енергії справджується лише для ідеалізованих ситуацій.

Вивчаючи закон Гука, слід пам’ятати, що він має певні межі застосування або межі, у яких він справджується, а саме «межу пружності».

Закон Ома також має межі застосування, хоча й досить широкі - аж до надвичайно малих струмів. Закон Ома не справджується у тих випадках, коли струм дуже слабкий (або дуже великий) і починають виявлятися флуктуації числа носіїв струму - електронів у металі. Тоді закон, що має принципово статистичний характер, не виконується.

Закони прямолінійного поширення світла, відбивання і заломлення справджуються лише за певних умов, коли довжина світлових хвиль на-

багато менша за розміри отворів і екранів, з якими взаємодіє світло під час свого поширення.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

1. Які ви знаєте фундаментальні взаємодії?

2. Чому вводять потяття «межі застосування» закону або теорії?

3. Наведіть приклади законів, які мають певні межі.

 

Це матеріал з підручника Фізика 9 клас Сиротюк

 






^