Номер 2, страница 356 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

2. Какие четыре типа фундаментальных взаимодействий вы знаете?

1. Решение

Развитие физики элементарных частиц условно можно разделить на три основных этапа, каждый из которых характеризуется своим подходом, ключевыми открытиями и теоретическими моделями.

Первый этап (конец XIX в. – 1930-е гг.): Открытие основных частиц материи. Этот этап начался с открытия электрона Дж. Дж. Томсоном в 1897 году. Основное внимание было сосредоточено на частицах, из которых состоит обычное вещество. Ключевые открытия этого периода:

• Электрон (1897 г.): первая открытая элементарная частица.
• Протон (1919 г.): ядро атома водорода, идентифицированное как фундаментальная частица.
• Нейтрон (1932 г.): нейтральная частица в ядре, объяснившая существование изотопов.

В это время также был открыт фотон (квант электромагнитного поля) и предсказано существование античастиц (П. Дирак) и нейтрино (В. Паули). Основная идея заключалась в том, что мир состоит из небольшого числа фундаментальных "кирпичиков". Различие этого этапа в том, что он заложил основу, определив состав атомов, но еще не сталкивался с огромным разнообразием нестабильных частиц.

Второй этап (1930-е – 1960-е гг.): "Зоопарк частиц" и классификация. С созданием мощных ускорителей и детекторов (например, пузырьковой камеры) физики начали обнаруживать десятки и сотни новых, в основном нестабильных, частиц: мюоны, пи-мезоны, каоны, гипероны и другие. Этот период получил название "зоопарк частиц" из-за их огромного количества и кажущегося отсутствия системы. Основная задача физиков на этом этапе заключалась в том, чтобы классифицировать все эти частицы, найти закономерности в их свойствах (массе, спине, времени жизни, способах распада) и понять природу сил, действующих между ними. Были открыты и изучены сильное и слабое взаимодействия. Отличие этого этапа – переход от изучения "строительных блоков" вещества к попыткам систематизации огромного массива экспериментальных данных и поиску более глубоких закономерностей.

Третий этап (1960-е гг. – настоящее время): Стандартная модель. Этот этап характеризуется созданием и экспериментальным подтверждением Стандартной модели элементарных частиц. Ключевой идеей стало предположение, что большинство частиц из "зоопарка" не являются элементарными, а состоят из более фундаментальных частиц — кварков (гипотеза М. Гелл-Манна и Дж. Цвейга, 1964 г.). Стандартная модель описывает:

• Фундаментальные частицы вещества: 6 видов кварков и 6 видов лептонов (электрон, мюон, тау-лептон и три вида нейтрино).
• Три из четырех фундаментальных взаимодействий (электромагнитное, слабое и сильное) через обмен частицами-переносчиками (фотоны, W- и Z-бозоны, глюоны).

Этот этап ознаменовался теоретическим объединением слабого и электромагнитного взаимодействий в единое электрослабое, созданием теории сильного взаимодействия (квантовой хромодинамики) и, наконец, открытием бозона Хиггса в 2012 году, который объясняет механизм появления массы у элементарных частиц. Главное отличие этого этапа – переход от классификации к созданию единой, стройной и предсказательно мощной теории, описывающей почти все известные явления в микромире.

Ответ: Различие трех этапов заключается в смене парадигмы: от открытия отдельных частиц, составляющих атом (1-й этап), через обнаружение и классификацию огромного множества новых частиц (2-й этап, "зоопарк частиц"), к созданию единой теории (Стандартной модели), которая объяснила это многообразие через более фундаментальные составляющие (кварки и лептоны) и описала их взаимодействия (3-й этап).

2. Решение

В современной физике известны четыре типа фундаментальных взаимодействий. Они различаются по силе, радиусу действия и частицам, на которые они действуют. В порядке убывания силы это:

1. Сильное ядерное взаимодействие. Это самое сильное из всех взаимодействий, но оно действует на очень малых расстояниях (порядка размера атомного ядра, $ \sim 10^{-15} $ м). Оно отвечает за связь кварков внутри протонов и нейтронов (адронов), а также за удержание протонов и нейтронов вместе в атомных ядрах, преодолевая электростатическое отталкивание протонов. Переносчиками сильного взаимодействия являются глюоны.
2. Электромагнитное взаимодействие. Оно действует между частицами, имеющими электрический заряд. Его сила уступает сильному взаимодействию, но оно имеет бесконечный радиус действия. Электромагнитное взаимодействие описывает все электрические и магнитные явления, определяет структуру атомов и молекул, а также является причиной существования света (электромагнитных волн). Его переносчиком является фотон.
3. Слабое ядерное взаимодействие. Это взаимодействие отвечает за некоторые виды радиоактивных распадов, например, за бета-распад нейтрона. Оно значительно слабее электромагнитного и имеет очень малый радиус действия (еще меньше, чем у сильного, $ \sim 10^{-18} $ м). В слабом взаимодействии участвуют все кварки и лептоны. Его переносчиками являются тяжелые частицы — W- и Z-бозоны. Уникальная особенность слабого взаимодействия — его способность изменять тип (аромат) кварков.
4. Гравитационное взаимодействие. Это самое слабое из четырех взаимодействий, но, как и электромагнитное, оно имеет бесконечный радиус действия. Гравитация действует на все частицы, обладающие массой или энергией. На макроскопическом уровне гравитация является доминирующей силой, определяющей движение планет, звезд и галактик. Согласно общей теории относительности, гравитация является проявлением искривления пространства-времени. Гипотетическим переносчиком гравитационного взаимодействия является гравитон, который до сих пор не был экспериментально обнаружен.

Ответ: Четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное ядерное, электромагнитное, слабое ядерное и гравитационное.