Движение и физическое взаимодействие.

Для всякого физического объекта существо­вание означает взаимодействие, т. е. постоянный обмен материей и движением во времени и пространстве в процессе структуризации и развитии систем всех уровней - от элементарных частиц до метагалактик.

В настоящее время установлено, что все многообразие взаимодействий между физическими объектами материального мира может быть сведено к сочетанию четырех основных типов - фундаментальных физических взаимодействий [9].

Гравитационное взаимодействие (от лат. gravitas — «тяжесть») является первым известным человеку, и соответственно, первым, ставшим предметом детального ис­следования. В классической физике оно описывается За­коном всемирного тяготения, согласно которому между двумя телами существует сила притяжения, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними (И.Ньютон, 1686 г.). Любая материальная частица является источником гравитационного взаимодействия и испытывает его на себе. По мере увеличения массы вещества гравитационные взаимодействия возрастают.

Гравитационное - наиболее слабое из всех известных совре­менной науке взаимодействий: оно в 10⁴² раз слабее силы взаи­модействия электрических зарядов. Тем не менее, гравитация определяет строение всей Вселенной: образование всех космических систем; существование планет, звезд и галактик; концентрацию рассеянной в ходе эво­люции звезд и галактик материи и включение ее в новые циклы развития.

Электромагнитное взаимодействие, открытое в XIX веке[10],также обладает универ­сальным характером. Благодаря электромагнитным связям возникают атомы, молекулы и макроскопические тела. Химические связи и, соответственно, все хи­мические реакции представляют собой проявление электромаг­нитных взаимодействий. К электромагнитному вза­имодействию сводятся силы упругости, трения, поверхно­стного натяжения; им определяются агрегатные состояния ве­щества, оптические явления и пр.

По своей величине электромагнитные силы несоизмеримо превос­ходят гравитационные, поэтому их можно наблюдать даже меж­ду телами обычных для человека размеров. Электромагнитное взаимодействие осуществляется только между электрически-заряженными частицами. «Магнитных зарядов» в природе не существует.

Сильное взаимодействие (сильное ядерное взаимодействие, цветовое взаимодействие, ядерное взаимодействие) было открыто только в XX в. Оно за­нимает первое место по силе, проявляется на расстояниях, определяемых размерами атомного ядра (около 10^{-11 м) и является источником огромной энергии. Сильное взаимодействие примерно в 103} раз сильнее электромагнитного и в 10⁵ слабого. Основная функция сильного взаимодействия - соеди­нение кварков и антикварков в адроны, связывание нуклонов в ядре. С его помощью физикам удалось объяснить, почему протоны, имеющие положительный заряд и входящие в состав ядер атомов, не разлетаются под дей­ствием электромагнитных сил отталкивания[11].

Слабое взаимодействие (слабое ядерное взаимодействие) было открыто также только в XX в. Оно действует только в микромире, значительно слабее электромагнитного, но сильнее гравитационного. Физи­ческой основой этого типа взаимодействия служит процесс рас­пада частиц, поэтому его открытие произошло вслед за открыти­ем радиоактивности (А. Беккерель, 1896 г.). Слабое взаимодействие является короткодействующим - оно проявляется на расстояниях, меньших размера атомного ядра (оно ответственно, в частности, за бета-распад ядер[12]). Именно поэтому долгое время слабое взаимодействие экспериментально не наблюдалось. Первая теория слабого взаимодействия была создана в 1934 г. Э. Ферми и развита в 1950-е гг. М. Гелл-Манном (Murray Gell-Mann; род. в 1929), Р. Фейнманом (Richard Feynman; 1918-1988) и другими физиками. Слабое взаимодействие осуществляет пре­вращение элементарных частиц друг в друга и играет очень важную роль не только в микромире, но и во многих явлениях космиче­ского масштаба. Благодаря ему осуществляется сложная последовательность термоядерных реак­ций, без которых погасло бы Солнце и большинство звезд во Вселенной.

Все четыре фундаментальные взаимодействия зависят от расстояния между зарядами, с уменьшением расстояния между ними сила взаимодействия возрастает (обратно пропорциональная зависимость). Сильное взаимодействие также зависит от расстояния между «цветовыми» зарядами («красный», «синий», «зеленый»), но прямо пропорционально взаимодействию между кварками тем меньше, чем они ближе друг к другу. На малых расстояниях они перестают влиять друг на друга и ведут себя как свободные частицы. Но как только расстояние между кварками начинает увеличиваться, сила взаимодействия нарастает.

Каждому из физических взаимодействий на супермикроскомическом уровне соответствует «частица-переносчик», которую можно рассматривать как наименьшую «порцию» или квант (от лат. quantum — «сколько») этого взаимодействия. Для гравитационного взаимодействия это, пока гипотетический, гравитон (т.к. экспериментальное обнаружение наименьшего «компонента» самого слабого из взаимодействий крайне трудная задача); для электромагнитного – фотон, для сильного – не существующий в свободном состоянии глюон (англ. glue — клей), для слабого – слабый калибровочный (векторный) бозон. Все типы взаимодействия являются проявлением соответствующих фундаментальных полей - особой формы материи.