Тема 1.6. Развитие представлений о взаимодействии

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)

& 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

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

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 -15 м;

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 -18 м); 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);

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.