А.Н. Матвеев - Механика и теория относительности (1111874), страница 39
Текст из файла (страница 39)
Экспериментально ее существование было доказано много лет спустя. Аналогичным образом обстоит дело и с законами сохранения энергии и момента импульса. Дело не в том, что эти законы должны всегда соблюдаться, а в том, что их несоблюдение связано с коренными изменениями свойств пространства и времени. Однородность и изотропность пространства и однородность времени являются их важнейшими симметриями.
Поэтому можно сказать, что законы сохранения обусловлены симметрией пространства и времени. Общее доказательство этого утверждения дается в теоретической механике и здесь не приводится. Глава 7 ДВИЖЕНИЕ В ПОЛЕ ТЯГОТЕНИЯ 29. Силы, известные в природе 30. Свойства сил тяготения 31. Движение планет и комет 32. Движение искусственных спутников Земли ЗЗ. Проблема двух тел С илы тяготения существенно влияют на движение лишь в том случае, когда масса хотя бы одного из взаимодействующих тел имеет достаточно большое (астрономическое) значение.
Законы Кеплера опнсывиот как движение планет и комет, так и распространение света в поле тяготения Солнца. Законы движения искусственных спутников Земли отличаются от законов Кеплера. 29. Силы, известные в природе Четыре типа сил, известных в природе. В физике рассматривается много сил: силы трения, упругости, электродвижущая сила, силы сцепления, электрические и магнитные силы и т. д. Однако если подходить к определению силы более строго, понимая под силой (см. $ 19) количественную меру интенсивности взаимодействия, то все их многообразие сводится всего лишь к четырем видам взаимодействия, известным в настоящее время: 1) гравитационное; 2) электромагнитное; 3) сильное, или ядерное; 4) слабое. Все остальные взаимодействия, которые упоминались выше, можно отнести к одному или нескольким нз указанных.
Взаимодействия отличаются как по своей интенсивности, так и по кругу явлений, в которых они существенны. Рассмотрим кратко особенности этих взаимодействий. 29. Силы, известные в природе 179 где 6 = 6,7 10-" Н и'/кг', т, = 9,1 ° 10 и кг — масса электрона. Электрическая сила отталкивания между ними е' е = 4леогт ' (29 2) Гравитационное взаимодействие. Оно подчиняется закону тяготения Ньютона.
В подавляющем большинстве случаев закон Ньютона дает хорошее описание наблюдаемых явлений. В настоящее время известно лишь одно явление, которое не объясняется с помощью этого закона, — вращение перигелия Меркурия на 42" в столетие. Это явление успешно описывается теорией тяготения Эйнштейна, нлн, как ее иногда называют, общей теорией относительности. Кроме того, многие вопросы космологии, эволюции звезд и Вселенной можно рассматривать лишь в рамках общей теории относительности. Мы будем изучать тяготение в основном в рамках закона тяготения Ньютона, делая в соответствующих случаях необходимые замечания об общей теории относительности.
Интенсивность гравитационных сил чрезвычайно мала. Они практически не играют роли при взаимодействии между неастрономическими телами. Лишь при взаимодействии с телами астрономических размеров и между телами таких размеров силы тяготения имеют существенное значение. Природа гравитационного взаимодействия в настоящее время еще не установлена. По теории Эйнштейна, силы тяготения связаны с изменением геометрических свойств пространства — времени под влиянием материи.
Это совершенно другой механизм взаимодействия в сравнении с принятым в квантовой теории поля, где взаимодействие обусловливается обменом частиц. Поэтому в настоящее время много усилий прилагается к выяснению возможности существования частиц, ответственных за гравитационное взаимодействие, — гравитонов. При наличии гравнтонов возможны два подхода к проблеме тяготения. Либо гравитационное взаимодействие полностью подпадает под схему описания всех других взаимодействий, если гравнтоны рассматривать как частицы, обеспечивающие взаимодействие, либо не подпадает и тогда гравитоны надо рассматривать как вид материи, который наряду с обычной материей осуществляет искривление пространства — времени.
Дальнейшее развитие теории гравитационного взаимодействия является одной из самых важных и многообещающих проблем современной физики. Электромагнитные взаимодействия. Опи обусловлены электрическим и магнитным взаимодействием зарядов, законы которого точно известны н хорошо изучены. В сравнении с гравитационным взаимодействием электромагнитное неизмеримо сильнее. Например, между двумя электронами, находящимися на расстоянии г друг от друга, действует сила гравитационного притяжения Р =С вЂ”,', (29.1) 180 Глаза 7.
ДВИЖЕНИЕ В ПОЛЕ ТЯГОТЕНИЯ где е = 1,6 ° 10-1' Кл — заряд электрона, е, = 8,82 ° 10 " Ф/м— электрическая постоянная. Из (29 1) и (29.2) следует Я' (29.3) Таким образом, электрическое взаимодействие между заряженными элементарными частицами в необозримое число раз более интенсивно, чем гравитационное. Характерная особенность электромагнитных взаимодействий — их медленное убывание с расстоянием (обратно пропорционально квадрату расстояний). Поэтому электрические и магнитные силы проявляются при больших расстояниях между заряженными частицами.
При рассмотрении явлений в областях пространства, которые больше размеров ядер, но меньше астрономических размеров, электромагнитные взаимодействия играют главную роль. Большинство сил, с которыми приходится встречаться в этих областях, сводятся в конечном счете к электромагнитным взаимодействиям.
Силы трения, силы сцепления, силы упругости, силы, благодаря которым жидкости сохраняют свой объем, и т. д. — все онн в конечном счете электромагнитной природы. Правда, фактически проследить детали этой связи очень трудно, но такая связь всегда существует. Твердость тел и само существование твердых тел, химические превращения, создание новых материалов, вся радиоэлектроника, лазеры и мазеры и т. д. — все зто обусловлено электромагнитными взаимодействиями, Важнейшая проблема современной науки — проблема управляемых термоядерных реакций — в своей главной части является электро- динамической и сводится к нахождению способов достаточно длительного удержания горячей плазмы в небольших объемах с помощью электромагнитных полей.
Создание ионных и плазменных ракетных двигателей в значительной степени также относится к электродинамической проблеме. Злектромагнитные взаимодействия имеют первостепенное значение в астрономических явлениях. Существующие в межзвездном пространстве магнитные поля ускоряют космические заряженные частицы; вспышки на Солнце приводят к изменению магнитного поля в окрестности Земли и тем самым оказывают влияние на явления, происходящие на Земле; магнитное поле Земли удерживает вблизи от нее заряженные частицы, благодаря чему создаются радиационные пояса. Все изложенное достаточно полно иллюстрирует утверждение о том, что в области масштабов, ббльших, чем ядерные, но меньших, чем астрономические, электромагнитные взаимодействия играют главную роль.
Сильные взаимодействия. Сильные, или ядерные, взаимодействия являются силами притяжения, действующими, например, между протонами и нейтронами в ядре. Поэтому их называют ядерными силами. 29. 6ипы, известньге в природе 1В1 Однако они действуют не только в ядре и не только между протонами и нейтронами, но и между многими другими частицами, известными в настоящее время. Поэтому предпочтительнее говорить о них не как о ядерных, а как о сильных взаимодействиях. Закон действия этих сил неизвестен, хотя многие характерные их свойства хорошо изучены экспериментально.
Эти силы действуют лишь на малых расстояниях порядка 10-" м (это порядок размера ядер) и являются короткодействующими. На более далеких расстояниях они практически обращаются в нуль. На расстояниях же, меньших 10 " м, они примерно в сто раз больше, чем электромагнитные. Именно благодаря этому силы электрического отталкивания между протонами в ядрах не в состоянии преодолеть силы ядерного притяжения между ними.
Но это лишь в определенных пределах. Если силы имеют большой радиус действия, как, например, электромагнитные силы, то каждая частица взаимодействует со всеми другими в достаточно большом объеме. Поэтому энергия взаимодействия каждой частицы с другими пропорциональна числу частиц и. Поскольку общее число частиц л, а энергия взаимодействия каждой из них с другими пропорциональна также и, то общая энергия взаимодействия пропорциональна и'. По-другому обстоит дело в случае короткодействующих сил. В этом случае каждая частица взаимодействует лишь со своими соседями, находящимися в сфере действия сил.
Поэтому энергия ее взаимодействия с другими частицами является примерно постоянной величиной и не зависит от общего числа частиц и, находящихся, например, в ядре. Поскольку энергия взаимодействия каждой из них с другими примерно постоянна, то общая энергия взаимодействия между частицами пропорциональна и.
Это свойство короткодействующих сил называется свойством насыщения. Таким образом, общая энергия взаимодействия, связанная с короткодействующими силами, растет медленнее, чем общая энергия, связанная с дальнодействующими силами, поскольку в первом случае она зависит от первой степени числа частиц, а во втором — от квадрата числа частиц. Вот почему, несмотря на то что ядерные силы притяжения между протонами и нейтронами примерно в сто раз больше, чем силы электрического отталкивания между ними, при достаточно большом общем числе частиц (число протонов и нейтронов в ядре примерно одинаково) наступает такая ситуация, что общая энергия электрического отталкивания превосходит общую энергию ядерного притяжения и такое ядро не может существовать.
Этим обусловливается отсутствие стабильных ядер, в которых число нуклонов (протоны и нейтроны называются нуклонами) было бы больше, чем 238. Более тяжелые ядра могут быть созданы искусственно, но они живут лишь конечное время, в большинстве случаев очень и очень короткое, и в результате распада превращаются в более легкие ядра. 182 Глава 7. ДВИЖЕНИЕ В ПОЛЕ ТЯГОТЕНИЯ Следующим важным свойством сильных взаимодействий является их зарядовая независимость, что было подтверждено экспериментально. Силы ядерного взаимодействия между нейтроном и протоном, между протоном и протоном и между нейтроном и нейтроном равны между собой.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
