Разное

Виды взаимодействия: Свойства фундаментальных взаимодействий

ОпубликованоАвторalexxlab

Содержание

Фундаментальные взаимодействия

Фундаментальные взаимодействия

И. Л. Бухбиндер (Томский государственный педагогический университет)
Опубликовано в Соросовском образовательном журнале, N 5, 1997 г.
а также в www.nature.ru

  • Введение
  • Гравитационное взаимодействие
  • Понятие о квантовой гравитации
  • Слабое взаимодействие
  • Электромагнитное взаимодействие
  • Сильное взаимодействие
  • Тенденции объединения взаимодействий
  • Заключение
  • Литература

Введение

    Современные достижения физики высоких энергий все больше укрепляют представление, что многообразие свойств Природы обусловлено взаимодействующими элементарными частицами. Дать неформальное определение элементарной частицы, по-видимому, невозможно, поскольку речь идет о самых первичных элементах материи.

На качественном уровне можно говорить, что истинно элементарными частицами называются физические объекты, которые не имеют составных частей.
    Очевидно, что вопрос об элементарности физических объектов — это в первую очередь вопрос экспериментальный. Например, экспериментально установлено, что молекулы, атомы, атомные ядра имеют внутреннюю структуру, указывающую на наличие составных частей. Поэтому их нельзя считать элементарными частицами. Сравнительно недавно открыто, что такие частицы, как мезоны и барионы, также обладают внутренней структурой и, следовательно, не являются элементарными. В то же время у электрона внутренняя структура никогда не наблюдалась, и, значит, его можно отнести к элементарным частицам. Другим примером элементарной частицы является квант света — фотон.
    Современные экспериментальные данные свидетельствуют, что существует только четыре качественно различных вида взаимодействий, в которых участвуют элементарные частицы. Эти взаимодействия называются фундаментальными, то есть самыми основными, исходными, первичными.
Если принять во внимание все многообразие свойств окружающего нас Мира, то кажется совершенно удивительным, что в Природе есть только четыре фундаментальных взаимодействия, ответственных за все явления Природы.
    Помимо качественных различий, фундаментальные взаимодействия отличаются в количественном отношении по силе воздействия, которая характеризуется термином интенсивность. По мере увеличения интенсивности фундаментальные взаимодействия располагаются в следующем порядке: гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное. Каждое из этих взаимодействий характеризуется соответствующим параметром, называемым константой связи, численное значение которого определяет интенсивность взаимодействия.
    Каким образом физические объекты осуществляют фундаментальные взаимодействия между собой? На качественном уровне ответ на этот вопрос выглядит следующим образом. Фундаментальные взаимодействия переносятся квантами. При этом в квантовой области фундаментальным взаимодействиям отвечают соответствующие элементарные частицы, называемые элементарными частицами — переносчиками взаимодействий.
В процессе взаимодействия физический объект испускает частицы — переносчики взаимодействия, которые поглощаются другим физическим объектом. Это ведет к тому, что объекты как бы чувствуют друг друга, их энергия, характер движения, состояние изменяются, то есть они испытывают взаимное влияние.
    В современной физике высоких энергий все большее значение приобретает идея объединения фундаментальных взаимодействий. Согласно идеям объединения, в Природе существует только одно единое фундаментальное взаимодействие, проявляющее себя в конкретных ситуациях как гравитационное, или как слабое, или как электромагнитное, или как сильное, или как их некоторая комбинация. Успешной реализацией идей объединения послужило создание ставшей уже стандартной объединенной теории электромагнитных и слабых взаимодействий. Идет работа по развитию единой теории электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий, получившей название теории великого объединения. Предпринимаются попытки найти принцип объединения всех четырех фундаментальных взаимодействий.
Мы последовательно рассмотрим основные проявления фундаментальных взаимодействий.

Гравитационное взаимодействие

    Это взаимодействие носит универсальный характер, в нем участвуют все виды материи, все объекты природы, все элементарные частицы! Общепринятой классической (не квантовой) теорией гравитационного взаимодействия является эйнштейновская общая теория относительности. Гравитация определяет движение планет в звездных системах, играет важную роль в процессах, протекающих в звездах, управляет эволюцией Вселенной, в земных условиях проявляет себя как сила взаимного притяжения. Конечно, мы перечислили только небольшое число примеров из огромного списка эффектов гравитации.

    Согласно общей теории относительности, гравитация связана с кривизной пространства-времени и описывается в терминах так называемой римановой геометрии. В настоящее время все экспериментальные и наблюдательные данные о гравитации укладываются в рамки общей теории относительности. Однако данные о сильных гравитационных полях по существу отсутствуют, поэтому экспериментальные аспекты этой теории содержат много вопросов. Такая ситуация порождает появление различных альтернативных теорий гравитации, предсказания которых практически неотличимы от предсказаний общей теории относительности для физических эффектов в Солнечной системе, но ведут к другим следствиям в сильных гравитационных полях.
    Если пренебречь всеми релятивистскими эффектами и ограничиться слабыми стационарными гравитационными полями, то общая теория относительности сводится к ньютоновской теории всемирного тяготения. В этом случае, как известно, потенциальная энергия взаимодействия двух точечных частиц с массами m1 и m2 дается соотношением

где r — расстояние между частицами, G — ньютоновская гравитационная постоянная, играющая роль константы гравитационного взаимодействия. Данное соотношение показывает, что потенциальная энергия взаимодействия V(r) отлична от нуля при любом конечном r и спадает к нулю очень медленно. По этой причине говорят, что гравитационное взаимодействие является дальнодействующим.

    Из многих физических предсказаний общей теории относительности отметим три. Теоретически установлено, что гравитационные возмущения могут распространяться в пространстве в виде волн, называемых гравитационными. Распространяющиеся слабые гравитационные возмущения во многом аналогичны электромагнитным волнам. Их скорость равна скорости света, они имеют два состояния поляризации, для них характерны явления интерференции и дифракции. Однако в силу чрезвычайно слабого взаимодействия гравитационных волн с веществом их прямое экспериментальное наблюдение до сих пор не было возможно. Тем не менее данные некоторых астрономических наблюдений по потере энергии в системах двойных звезд свидетельствуют о возможном существовании гравитационных волн в природе.
    Теоретическое исследование условий равновесия звезд в рамках общей теории относительности показывает, что при определенных условиях достаточно массивные звезды могут начать катастрофически сжиматься.
Это оказывается возможным на достаточно поздних стадиях эволюции звезды, когда внутреннее давление, обусловленное процессами, ответственными за светимость звезды, не в состоянии уравновесить давление сил тяготения, стремящихся сжать звезду. В результате процесс сжатия уже ничем не может быть остановлен. Описанное физическое явление, предсказанное теоретически в рамках общей теории относительности, получило название гравитационного коллапса. Исследования показали, что если радиус звезды становится меньше так называемого гравитационного радиуса

Rg = 2GM / c2,

где M — масса звезды, а c — скорость света, то для внешнего наблюдателя звезда гаснет. Никакая информация о процессах, идущих в этой звезде, не может достичь внешнего наблюдателя. При этом тела, падающие на звезду, свободно пересекают гравитационный радиус. Если в качестве такого тела подразумевается наблюдатель, то ничего, кроме усиления гравитации, он не заметит. Таким образом, возникает область пространства, в которую можно попасть, но из которой ничего не может выйти, включая световой луч.

Подобная область пространства называется черной дырой. Существование черных дыр является одним из теоретических предсказаний общей теории относительности, некоторые альтернативные теории гравитации построены именно так, что они запрещают такого типа явления. В связи с этим вопрос о реальности черных дыр имеет исключительно важное значение. В настоящее время имеются наблюдательные данные, свидетельствующие о наличии черных дыр во Вселенной.
    В рамках общей теории относительности впервые удалось сформулировать проблему эволюции Вселенной. Тем самым Вселенная в целом становится не предметом спекулятивных рассуждений, а объектом физической науки. Раздел физики, предметом которого является Вселенная в целом, называется космологией. В настоящее время считается твердо установленным, что мы живем в расширяющейся Вселенной.
    Современная картина эволюции Вселенной основывается на представлении о том, что Вселенная, включая такие ее атрибуты, как пространство и время, возникла в результате особого физического явления, называемого Большой Взрыв, и с тех пор расширяется. Согласно теории эволюции Вселенной, расстояния между далекими галактиками должны увеличиваться со временем, и вся Вселенная должна быть заполнена тепловым излучением с температурой порядка 3 K. Эти предсказания теории находятся в прекрасном соответствии с данными астрономических наблюдений. При этом оценки показывают, что возраст Вселенной, то есть время, прошедшее с момента Большого Взрыва, составляет порядка 10 млрд лет. Что касается деталей Большого Взрыва, то это явление слабо изучено и можно говорить о загадке Большого Взрыва как о вызове физической науке в целом. Не исключено, что объяснение механизма Большого Взрыва связано с новыми, пока еще неизвестными законами Природы. Общепринятый современный взгляд на возможное решение проблемы Большого Взрыва основывается на идее объединения теории гравитации и квантовой механики.

Понятие о квантовой гравитации

    Можно ли вообще говорить о квантовых проявлениях гравитационного взаимодействия? Как принято считать, принципы квантовой механики носят универсальный характер и применимы к любому физическому объекту. В этом смысле гравитационное поле не представляет исключения. Теоретические исследования показывают, что на квантовом уровне гравитационное взаимодействие переносится элементарной частицей, называемой гравитон. Можно отметить, что гравитон является безмассовым бозоном со спином 2. Гравитационное взаимодействие между частицами, обусловленное обменом гравитоном, условно изображается следующим образом:

    Частица испускает гравитон, в силу чего состояние ее движения изменяется. Другая частица поглощает гравитон и также изменяет состояние своего движения. В результате возникает воздействие частиц друг на друга.
    Как мы уже отмечали, константой связи, характеризующей гравитационное взаимодействие, является ньютоновская константа G. Хорошо известно, что G — размерная величина. Очевидно, что для оценки интенсивности взаимодействия удобно иметь безразмерную константу связи. Чтобы получить такую константу, можно использовать фундаментальные постоянные: (постоянная Планка) и c (скорость света) — и ввести какую-нибудь эталонную массу, например массу протона mp. Тогда безразмерная константа связи гравитационного взаимодействия будет

Gmp2/(c) ~ 6·10-39,

что, конечно, является очень малой величиной.
    Интересно отметить, что из фундаментальных постоянных G, , c можно построить величины, имеющие размерность длины, времени, плотности, массы, энергии. Эти величины называются планковскими. В частности, планковская длина lPl и планковское время tPl выглядят следующим образом:

 

    Каждая фундаментальная физическая константа характеризует определенный круг физических явлений: G — гравитационные явления, — квантовые, c — релятивистские. Поэтому если в какое-то соотношение входят одновременно G, , c, то это значит, что данное соотношение описывает явление, которое одновременно является гравитационным, квантовым и релятивистским. Таким образом, существование планковских величин указывает на возможное существование соответствующих явлений в Природе.
    Конечно, численные значения lPl и tPl очень малы по сравнению с характерными значениями величин в макромире. Но это означает только то, что квантовогравитационные эффекты слабо проявляют себя. Они могли быть существенны лишь тогда, когда характерные параметры стали бы сравнимыми с планковскими величинами.
    Отличительной чертой явлений микромира является то обстоятельство, что физические величины оказываются подверженными так называемым квантовым флуктуациям. Это означает, что при многократных измерениях физической величины в определенном состоянии принципиально должны получаться различные численные значения, обусловленные неконтролируемым взаимодействием прибора с наблюдаемым объектом. Вспомним, что гравитация связана с проявлением кривизны пространства-времени, то есть с геометрией пространства-времени. Поэтому следует ожидать, что на временах порядка tPl и расстояниях порядка lPl геометрия пространства-времени должна стать квантовым объектом, геометрические характеристики должны испытывать квантовые флуктуации. Другими словами, на планковских масштабах нет никакой фиксированной пространственно-временной геометрии, образно говоря, пространство-время представляет собой бурлящую пену.
    Последовательная квантовая теория гравитации не построена. В силу чрезвычайно малых значений lPl , tPl следует ожидать, что в любом обозримом будущем не удастся поставить эксперименты, в которых проявили бы себя квантовогравитационные эффекты. Поэтому теоретическое исследование вопросов квантовой гравитации остается единственной возможностью продвижения вперед. Есть ли, однако, явления, где квантовая гравитация могла бы оказаться существенной? Да, есть, и мы о них уже говорили. Это гравитационный коллапс и Большой Взрыв. Согласно классической теории гравитации, объект, подверженный гравитационному коллапсу, должен сжиматься до сколь угодно малых размеров. Это означает, что его размеры могут стать сравнимыми с lPl , где классическая теория уже неприменима. Точно так же в процессе Большого Взрыва возраст Вселенной был сравним с tPl и она имела размеры порядка lPl. Это означает, что понимание физики Большого Взрыва невозможно в рамках классической теории. Таким образом, описание конечной стадии гравитационного коллапса и начальной стадии эволюции Вселенной может быть осуществлено только с привлечением квантовой теории гравитации.

Слабое взаимодействие

    Это взаимодействие является наиболее слабым из фундаментальных взаимодействий, экспериментально наблюдаемых в распадах элементарных частиц, где принципиально существенными являются квантовые эффекты. Напомним, что квантовые проявления гравитационного взаимодействия никогда не наблюдались. Слабое взаимодействие выделяется с помощью следующего правила: если в процессе взаимодействия участвует элементарная частица, называемая нейтрино (или антинейтрино), то данное взаимодействие является слабым.

Типичный пример слабого взаимодействия — это бета-распад нейтрона

n p + e— + e,

где n — нейтрон, p — протон, e— — электрон, e — электронное антинейтрино. Следует, однако, иметь в виду, что указанное выше правило совсем не означает, что любой акт слабого взаимодействия обязан сопровождаться нейтрино или антинейтрино. Известно, что имеет место большое число безнейтринных распадов. В качестве примера можно отметить процесс распада лямбда-гиперона на протон p и отрицательно заряженный пион π−. По современным представлениям нейтрон и протон не являются истинно элементарными частицами, а состоят из элементарных частиц, называемых кварками.
    Интенсивность слабого взаимодействия характеризуется константой связи Ферми GF. Константа GF размерна. Чтобы образовать безразмерную величину, необходимо использовать какую-нибудь эталонную массу, например массу протона mp. Тогда безразмерная константа связи будет

GFmp2 ~ 10-5.

Видно, что слабое взаимодействие гораздо интенсивнее гравитационного.
    Слабое взаимодействие в отличие от гравитационного является короткодействующим. Это означает, что слабое взаимодействие между частицами начинает действовать, только если частицы находятся достаточно близко друг к другу. Если же расстояние между частицами превосходит некоторую величину, называемую характерным радиусом взаимодействия, слабое взаимодействие не проявляет себя. Экспериментально установлено, что характерный радиус слабого взаимодействия порядка 10-15 см, то есть слабое взаимодействие, сосредоточен на расстояниях меньше размеров атомного ядра.
    Почему можно говорить о слабом взаимодействии как о независимом виде фундаментальных взаимодействий? Ответ прост. Установлено, что есть процессы превращений элементарных частиц, которые не сводятся к гравитационным, электромагнитным и сильным взаимодействиям. Хороший пример, показывающий, что существуют три качественно различных взаимодействия в ядерных явлениях, связан с радиоактивностью. Эксперименты указывают на наличие трех различных видов радиоактивности: -, — и -радиоактивных распадов. При этом -распад обусловлен сильным взаимодействием, -распад — электромагнитным. Оставшийся -распад не может быть объяснен электромагнитным и сильным взаимодействиями, и мы вынуждены принять, что есть еще одно фундаментальное взаимодействие, названное слабым. В общем случае необходимость введения слабого взаимодействия обусловлена тем, что в природе происходят процессы, в которых электромагнитные и сильные распады запрещены законами сохранения.
    Хотя слабое взаимодействие существенно сосредоточено внутри ядра, оно имеет определенные макроскопические проявления. Как мы уже отмечали, оно связано с процессом β-радиоактивности. Кроме того, слабое взаимодействие играет важную роль в так называемых термоядерных реакциях, ответственных за механизм энерговыделения в звездах.
    Удивительнейшим свойством слабого взаимодействия является существование процессов, в которых проявляется зеркальная асимметрия. На первый взгляд кажется очевидным, что разница между понятиями левое и правое условна. Действительно, процессы гравитационного, электромагнитного и сильного взаимодействия инвариантны относительно пространственной инверсии, осуществляющей зеркальное отражение. Говорят, что в таких процессах сохраняется пространственная четность P. Однако экспериментально установлено, что слабые процессы могут протекать с несохранением пространственной четности и, следовательно, как бы чувствуют разницу между левым и правым. В настоящее время имеются твердые экспериментальные доказательства, что несохранение четности в слабых взаимодействиях носит универсальный характер, оно проявляет себя не только в распадах элементарных частиц, но и в ядерных и даже атомных явлениях. Следует признать, что зеркальная асимметрия представляет собой свойство Природы на самом фундаментальном уровне.
    Несохранение четности в слабых взаимодействиях выглядело настолько необычным свойством, что практически сразу после его открытия теоретики предприняли попытки показать, что на самом деле существует полная симметрия между левым и правым, только она имеет более глубокий смысл, чем это ранее считалось. Зеркальное отражение должно сопровождаться заменой частиц на античастицы (зарядовое сопряжение C ), и тогда все фундаментальные взаимодействия должны быть инвариантными. Однако позднее было установлено, что эта инвариантность не является универсальной. Существуют слабые распады так называемых долгоживущих нейтральных каонов на пионы π+, π−, запрещенные, если бы указанная инвариантность реально имела место. Таким образом, отличительным свойством слабого взаимодействия является его CP-неинвариантность. Возможно, что это свойство ответственно за то обстоятельство, что вещество во Вселенной значительно превалирует над антивеществом, построенным из античастиц. Мир и антимир несимметричны.
    Вопрос о том, какие частицы являются переносчиками слабого взаимодействия, долгое время был неясен. Понимания удалось достичь сравнительно недавно в рамках объединенной теории электрослабых взаимодействий — теории Вайнберга-Салама-Глэшоу. В настоящее время общепринято, что переносчиками слабого взаимодействия являются так называемые W±— и Z0-бозоны. Это заряженные W± и нейтральная Z0 элементарные частицы со спином 1 и массами, равными по порядку величины 100 mp.

 Электромагнитное взаимодействие

    В электромагнитном взаимодействии участвуют все заряженные тела, все заряженные элементарные частицы. В этом смысле оно достаточно универсально. Классической теорией электромагнитного взаимодействия является максвелловская электродинамика. В качестве константы связи принимается заряд электрона e.
    Если рассмотреть два покоящихся точечных заряда q1 и q2 , то их электромагнитное взаимодействие сведется к известной электростатической силе. Это означает, что взаимодействие является дальнодействующим и медленно спадает с ростом расстояния между зарядами.
    Классические проявления электромагнитного взаимодействия хорошо известны, и мы не будем на них останавливаться. С точки зрения квантовой теории переносчиком электромагнитного взаимодействия является элементарная частица фотон — безмассовый бозон со спином 1. Квантовое электромагнитное взаимодействие между зарядами условно изображается следующим образом:

    Заряженная частица испускает фотон, в силу чего состояние ее движения изменяется. Другая частица поглощает этот фотон и также изменяет состояние своего движения. В результате частицы как бы чувствуют наличие друг друга. Хорошо известно, что электрический заряд является размерной величиной. Удобно ввести безразмерную константу связи электромагнитного взаимодействия. Для этого надо использовать фундаментальные постоянные и c. В результате приходим к следующей безразмерной константе связи, называемой в атомной физике постоянной тонкой структуры

α = e2/c ≈1/137.

Легко заметить, что данная константа значительно превышает константы гравитационного и слабого взаимодействий.
    С современной точки зрения электромагнитное и слабое взаимодействия представляют собой различные стороны единого электрослабого взаимодействия. Создана объединенная теория электрослабого взаимодействия — теория Вайнберга-Салама-Глэшоу, объясняющая с единых позиций все аспекты электромагнитных и слабых взаимодействий. Можно ли понять на качественном уровне, как происходит разделение объединенного взаимодействия на отдельные, как бы независимые взаимодействия?
    Пока характерные энергии достаточно малы, электромагнитное и слабое взаимодействия отделены и не влияют друг на друга. С ростом энергии начинается их взаимовлияние, и при достаточно больших энергиях эти взаимодействия сливаются в единое электрослабое взаимодействие. Характерная энергия объединения оценивается по порядку величины как 102 ГэВ (ГэВ — это сокращенное от гигаэлектрон-вольт, 1 ГэВ = 109 эВ, 1 эВ = 1.6·10-12 эрг = 1.6·1019 Дж). Для сравнения отметим, что характерная энергия электрона в основном состоянии атома водорода порядка 10-8 ГэВ, характерная энергия связи атомного ядра порядка 10-2 ГэВ, характерная энергия связи твердого тела порядка 10-10 ГэВ. Таким образом, характерная энергия объединения электромагнитных и слабых взаимодействий огромна по сравнению с характерными энергиями в атомной и ядерной физике. По этой причине электромагнитное и слабое взаимодействия не проявляют в обычных физических явлениях своей единой сущности.

 Сильное взаимодействие

    Сильное взаимодействие ответственно за устойчивость атомных ядер. Поскольку атомные ядра большинства химических элементов стабильны, то ясно, что взаимодействие, которое удерживает их от распада, должно быть достаточно сильным. Хорошо известно, что ядра состоят из протонов и нейтронов. Чтобы положительно заряженные протоны не разлетелись в разные стороны, необходимо наличие сил притяжения между ними, превосходящих силы электростатического отталкивания. Именно сильное взаимодействие является ответственным за эти силы притяжения.
    Характерной чертой сильного взаимодействия является его зарядовая независимость. Ядерные силы притяжения между протонами, между нейтронами и между протоном и нейтроном по существу одинаковы. Отсюда следует, что с точки зрения сильных взаимодействий протон и нейтрон неотличимы и для них используется единый термин нуклон, то есть частица ядра.

Характерный масштаб сильного взаимодействия можно проиллюстрировать рассмотрев два покоящихся нуклона. Теория приводит к потенциальной энергии их взаимодействия в виде потенциала Юкавы

где величина r0 ≈10-13  см и совпадает по порядку величины с характерным размером ядра, g — константа связи сильного взаимодействия. Это соотношение показывает, что сильное взаимодействие является короткодействующим и по существу полностью сосредоточено на расстояниях, не превышающих характерного размера ядра. При r > r0 оно практически исчезает. Известным макроскопическим проявлением сильного взаимодействия служит эффект -радиоактивности. Следует, однако, иметь в виду, что потенциал Юкавы не является универсальным свойством сильного взаимодействия и не связан с его фундаментальными аспектами.
    В настоящее время существует квантовая теория сильного взаимодействия, получившая название квантовой хромодинамики. Согласно этой теории, переносчиками сильного взаимодействия являются элементарные частицы — глюоны. По современным представлениям частицы, участвующие в сильном взаимодействии и называемые адронами, состоят из элементарных частиц — кварков.
    Кварки представляют собой фермионы со спином 1/2 и ненулевой массой. Наиболее удивительным свойством кварков является их дробный электрический заряд. Кварки формируются в три пары (три поколения дублетов), обозначаемые следующим образом:

uc

t

dsb

Каждый тип кварка принято называть ароматом, так что существуют шесть кварковых ароматов. При этом u-, c-, t-кварки имеют электрический заряд 2/3|e| , а d-, s-, b-кварки — электрический заряд -1/3|e|, где e — заряд электрона. Кроме того, существуют три кварка данного аромата. Они отличаются квантовым числом, называемым цветом и принимающим три значения: желтый, синий, красный. Каждому кварку соответствует антикварк, имеющий по отношению к данному кварку противоположный электрический заряд и так называемый антицвет: антижелтый, антисиний, антикрасный. Принимая во внимание число ароматов и цветов, мы видим, что всего существуют 36 кварков и антикварков.
    Кварки взаимодействуют друг с другом посредством обмена восемью глюонами, которые представляют собой безмассовые бозоны со спином 1. В процессе взаимодействия цвета кварков могут изменяться. При этом сильное взаимодействие условно изображается следующим образом:

Кварк, входящий в состав адрона, испускает глюон, в силу чего состояние движения адрона изменяется. Этот глюон поглощается кварком, входящим в состав другого адрона, и меняет состояние его движения. В результате возникает взаимовоздействие адронов друг на друга.
    Природа устроена так, что взаимодействие кварков всегда ведет к образованию бесцветных связанных состояний, которые как раз и являются адронами. Например, протон и нейтрон составлены из трех кварков: p = uud, n = udd. Пион π− составлен из кварка u и антикварка : π− = u. Отличительная черта кварк-кваркового взаимодействия через глюоны состоит в том, что с уменьшением расстояния между кварками их взаимодействие ослабляется. Это явление получило название асимптотической свободы и ведет к тому, что внутри адронов кварки можно рассматривать как свободные частицы. Асимптотическая свобода естественным образом вытекает из квантовой хромодинамики. Имеются экспериментальные и теоретические указания на то, что с ростом расстояния взаимодействие между кварками должно возрастать, в силу чего кваркам энергетически выгодно находиться внутри адрона. Это означает, что мы можем наблюдать только бесцветные объекты — адроны. Одиночные кварки и глюоны, обладающие цветом, не могут существовать в свободном состоянии. Явление удержания элементарных частиц, обладающих цветом, внутри адронов получило название конфайнмента. Для объяснения конфайнмента предлагались различные модели, однако последовательное описание, вытекающее из первых принципов теории, до сих пор не построено. С качественной точки зрения трудности связаны с тем, что, обладая цветом, глюоны взаимодействуют со всеми цветными объектами, в том числе и друг с другом. По этой причине квантовая хромодинамика является существенно нелинейной теорией и приближенные методы исследования, принятые в квантовой электродинамике и электрослабой теории, оказываются не вполне адекватными в теории сильных взаимодействий.

Тенденции объединения взаимодействий

    Мы видим, что на квантовом уровне все фундаментальные взаимодействия проявляют себя одинаковым образом. Элементарная частица вещества испускает элементарную частицу — переносчик взаимодействия, которая поглощается другой элементарной частицей вещества. Это ведет к взаимовлиянию частиц вещества друг на друга.
    Безразмерная константа связи сильного взаимодействия может быть построена по аналогии с постоянной тонкой структуры в виде g2/(c)10. Если сравнить безразмерные константы связи, то легко заметить, что самым слабым является гравитационное взаимодействие, а затем располагаются слабое, электромагнитное и сильное.
    Если принять во внимание уже развитую объединенную теорию электрослабых взаимодействий, называемую сейчас стандартной, и следовать тенденции объединения, то возникает проблема построения единой теории электрослабого и сильного взаимодействий. В настоящее время созданы модели такой единой теории, получившие название модели великого объединения. Все эти модели имеют много общих моментов, в частности характерная энергия объединения оказывается порядка 1015 ГэВ, что значительно превосходит характерную энергию объединения электромагнитных и слабых взаимодействий. Отсюда вытекает, что прямое экспериментальное исследование великого объединения выглядит проблематичным даже в достаточно отдаленном будущем. Для сравнения отметим, что наибольшая энергия, достижимая на современных ускорителях, не превышает 103 ГэВ. Поэтому если и будут получены какие-либо экспериментальные данные относительно великого объединения, то они могут носить только косвенный характер. В частности, модели великого объединения предсказывают распад протона и существование магнитного монополя большой массы. Экспериментальное подтверждение этих предсказаний было бы грандиозным триумфом тенденций объединения.
    Общая картина разделения единого великого взаимодействия на отдельные сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия выглядит следующим образом. При энергиях порядка 1015 ГэВ и выше существует единое взаимодействие. Когда энергия становится ниже 1015 ГэВ, сильное и электрослабое взаимодействия отделяются друг от друга и представляются как различные фундаментальные взаимодействия. При дальнейшем уменьшении энергии ниже 102 ГэВ происходит отделение слабого и электромагнитного взаимодействий. В результате на масштабе энергий, характерных для физики макроскопических явлений, три рассматриваемых взаимодействия выглядят как не имеющие единой природы.
    Заметим теперь, что энергия 1015 ГэВ отстоит не так далеко от планковской энергии

при которой становятся существенными квантовогравитационные эффекты. Поэтому теория великого объединения с необходимостью ведет к проблеме квантовой гравитации. Если далее следовать тенденции объединения, мы должны принять идею о существовании одного всеобъемлющего фундаментального взаимодействия, которое разделяется на отдельные гравитационное, сильное, слабое и электромагнитное последовательно по мере понижения энергии от планковского значения до энергий, меньших 102 ГэВ.
    Построение такой грандиозной объединяющей теории, по-видимому, неосуществимо в рамках системы идей, приведших к стандартной теории электрослабых взаимодействий и моделям великого объединения. Требуется привлечение новых, возможно кажущихся сумасшедшими, представлений, идей, методов. Несмотря на очень интересные подходы, развитые в последнее время, такие, как супергравитация и теория струн, проблема объединения всех фундаментальных взаимодействий остается открытой.

Заключение

    Итак, мы сделали обзор основных сведений, касающихся четырех фундаментальных взаимодействий Природы. Кратко описаны микроскопические и макроскопические проявления этих взаимодействий, картина физических явлений, в которых они играют важную роль.
    Везде, где это было возможно, мы старались проследить тенденцию объединения, отметить общие черты фундаментальных взаимодействий, привести данные о характерных масштабах явлений. Конечно, излагаемый здесь материал не претендует на полноту рассмотрения и не содержит многих важных деталей, необходимых для систематического изложения. Подробное описание затронутых нами вопросов требует использования всего арсенала методов современной теоретической физики высоких энергий и выходит за рамки данной статьи, научно-популярной литературы. Нашей целью было изложение общей картины достижений современной теоретической физики высоких энергий, тенденции ее развития. Мы стремились вызвать интерес читателя к самостоятельному, более подробному изучению материала. Конечно, при таком подходе неизбежны определенные огрубления.
    Предлагаемый список литературы позволяет более подготовленному читателю углубить свое представление о вопросах, рассмотренных в статье.

 Рекомендуемая литература
  1. Окунь Л.Б. a, b, g,  , Z. М.: Наука, 1985.
  2. Окунь Л.Б. Физика элементарных частиц. М.: Наука, 1984.
  3. Новиков И.Д. Как взорвалась Вселенная. М.: Наука, 1988.
  4. Фридман Д., ван. Ньювенхейзен П. // Успехи физ. наук. 1979. Т. 128. N 135.
  5. Хокинг С. От Большого Взрыва до черных дыр: Краткая история времени. М.: Мир, 1990.
  6. Девис П. Суперсила: Поиски единой теории природы. М.: Мир, 1989.
  7. Зельдович Я.Б., Хлопов М.Ю. Драма идей в познании природы. М.: Наука, 1987.
  8. Готтфрид К., Вайскопф В. Концепции физики элементарных частиц. М.: Мир, 1988.
  9. Coughlan G.D., Dodd J.E. The Ideas of Particle Physics. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1993.

И. Л. Бухбиндер (Томский государственный педагогический университет)
Опубликовано в Соросовском образовательном журнале, N 5, 1997 г.
а также в www.nature.ru

Фундаментальные взаимодействия – виды в природе и физике и частицы переносчики, кратко с примерами

4.2

Средняя оценка: 4.2

Всего получено оценок: 219.

4.2

Средняя оценка: 4.2

Всего получено оценок: 219.

Все события, происходящие в Природе, совершаются в результате сил, источниками которых является взаимное влияние друг на друга частиц материи. Такое влияние осуществляется четырьмя способами. Рассмотрим их кратко.

Фундаментальные взаимодействия в Природе

Способность частиц материи оказывать взаимное силовое влияние называется «взаимодействием». Изучение взаимодействий показало, что механизм влияния в разных случаях существенно различен и не может быть объяснен один через другой. Более того, нередко эти механизмы работают вместе, не исключая друг друга. Поэтому взаимодействия разных типов стали называть «фундаментальными взаимодействиями».

В XX в была разработана квантовая механика, одна из основных идей которой состоит в том, что все взаимодействия в Природе происходят только определенными «шагами», «порциями», которые называются квантами. И суть любого взаимодействия заключается в переносе квантов энергии между частицами материи. Разница между взаимодействиями объясняется различием квантов-переносчиков.

Виды фундаментальных взаимодействий

Всего в Природе существуют четыре вида фундаментальных взаимодействий.

Рис. 1. Таблица фундаментальных взаимодействий.

Гравитационное взаимодействие

С силами гравитации человек был знаком всегда. Изначально сила притяжения приписывалась исключительно Земле. Однако, с развитием науки было открыто притяжение между небесными телами, а в XVIIв И. Ньютон распространил действие гравитации на любые объекты, имеющие массу.

Из-за малой величины силы гравитации трудно поддаются изучению. Например, гравитационная постоянная была измерена лишь в самом конце XVIIIв. По этой же причине возникают сложности с разработкой квантовой теории гравитации в настоящее время. Только уже в XXIв были зарегистрированы гравитационные волны, предсказанные теорией. Частица-переносчик гравитации – гравитон – также пока остается гипотетической.

Можно указать лишь некоторые свойства гравитонов. В частности, гравитоны не имеют массы, и движутся со скоростью света. Поэтому радиус действия гравитационного поля бесконечен, а его интенсивность убывает пропорционально квадрату расстояния.

Рис. 2. Гравитация в физике.

Электромагнитное взаимодействие

С проявлением электромагнетизма человечество также было знакомо с древности. Однако, первоначально к этому взаимодействию были отнесены лишь явления электризации и природного электричества. Развитие теории электродинамики показало, что абсолютное большинство сил, окружающих нас, имеют под собой именно электромагнитную природу, поскольку большинство элементарных частиц обладают электрическим зарядом.

Частицей-переносчиком электромагнитного взаимодействия является фотон, не имеющий массы и движущийся со скоростью света. То есть, радиус действия электромагнитных сил также бесконечен, а интенсивность убывает пропорционально квадрату расстояния.

Рис. 3. Электромагнетизм в физике.

Сильное взаимодействие

Открытие сложного состава атомного ядра поставило вопрос о силе, удерживающей рядом положительно заряженные протоны. Гравитационные силы в ядре пренебрежительно малы, а электромагнитное взаимодействие должно разрушать ядро. Следовательно, существует взаимодействие, не являющееся ни гравитационным, ни электромагнитным, которое и удерживает положительные протоны рядом. Такое взаимодействие было названо ядерным или «сильным» (действительно, оно в сто раз более мощное, чем электромагнитное). {-18}$м) а также отсутствие связанных систем «притяжения» между частицами.

Что мы узнали?

В Природе существует четыре фундаментальных взаимодействия. Гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Фундаментальное взаимодействие заключается в обмене между частицами материи квантом-переносчиком взаимодействия. У каждого взаимодействия имеется свой квант, свойства которого определяют характер взаимодействия.

Тест по теме

Доска почёта

Чтобы попасть сюда — пройдите тест.

    Пока никого нет. Будьте первым!

Оценка доклада

4.2

Средняя оценка: 4.2

Всего получено оценок: 219.

А какая ваша оценка?

Рязанский Государственный Медицинский университет имени академика И.П.Павлова



Рязанский Государственный Медицинский университет имени академика И.П.Павлова — официальный сайт

Дополнительное профессиональное образование (4912) 97-18-37

Дополнительное профессиональное образование (4912) 97-18-37

Дополнительное профессиональное образование (4912) 97-18-37

Дополнительное профессиональное образование (4912) 97-18-37

Дополнительное профессиональное образование (4912) 97-18-37

Дополнительное профессиональное образование (4912) 97-18-37

Дополнительное профессиональное образование (4912) 97-18-37

Дополнительное профессиональное образование (4912) 97-18-37

Дополнительное профессиональное образование (4912) 97-18-37

Дополнительное профессиональное образование (4912) 97-18-37

Университет в рейтингах

Университет в рейтингах

Университет в рейтингах

Университет в рейтингах

Университет в рейтингах

Университет в рейтингах

Университет в рейтингах

Университет в рейтингах

Университет в рейтингах

Университет в рейтингах

Учебная операционная WetLab

Учебная операционная WetLab

Учебная операционная WetLab

Учебная операционная WetLab

Учебная операционная WetLab

Учебная операционная WetLab

Учебная операционная WetLab

Учебная операционная WetLab

Учебная операционная WetLab

Учебная операционная WetLab

Новости науки в РязГМУ

Новости науки в РязГМУ

Новости науки в РязГМУ

Новости науки в РязГМУ

Новости науки в РязГМУ

Новости науки в РязГМУ

Новости науки в РязГМУ

Новости науки в РязГМУ

Новости науки в РязГМУ

Новости науки в РязГМУ

объявление 05. 09.2022

В РЯЗГМУ ПОМОГУТ ПОДГОТОВИТЬСЯ К ЕГЭ

Ученики 11 классов и колледжей из Рязани и соседних регионов могут записаться на очные и заочные подготовительные курсы. Высококвалифицированные педагоги помогут набрать высшие баллы на едином государственном экзамене и подготовиться к поступлению в университет.

06.10.2022 КАЧЕСТВО ПОДГОТОВКИ КЛИНИЧЕСКИХ ПСИХОЛОГОВ РЯЗГМУ ПОДТВЕРДИЛА ПЕРВИЧНАЯ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННАЯ АККРЕДИТАЦИЯ Процедура первичной специализированной аккредитации медицинских психологов прошла в РязГМУ с целью обеспечить высокое качество медико-психологической помощи клинических психологов, работающих в системе здравоохранения. аккредитация 06. 10.2022 КОНКУРС ПЕДАГОГИЧЕСКИХ ЭССЕ ПО ТЕМЕ «ПРЕПОДАВАТЕЛЬ БУДУЩЕГО» Приглашаем преподавателей университета принять участие в Конкурсе педагогических эссе по теме «Преподаватель будущего», который проводится с целью применения инновационных процессов, происходящих в современном образовании, тенденций модернизации образования, обобщения накопленного опыта и представлений педагогов о путях и направлениях развития образования. 05.10.2022 «Инновационные технологии в педиатрии и детской хирургии» XXI Российский Конгресс с таким названием проходил в Москве с 21 по 23 сентября. Организаторами выступил Научно-исследовательский клинический институт педиатрии им. Ю.Е. Вельтищева РНИМУ им. Н.И.Пирогова. 05. 10.2022 ВМЕСТЕ с РОССИЕЙ 30 сентября в РязГМУ прошел конкурс патриотической песни «Вместе с Россией», в котором приняли участие обучающиеся средних общеобразовательных, средних профессиональных и высших учебных заведений города Рязани возрастом от 6 до 25 лет. 05.10.2022 РязГМУ стал лучшим в регионе по результатам рейтинга мониторинга эффективности вузов в 2022 году Его составляет агрегатор независимой оценки высшего образования и делит на 5 лиг. 1 лига Рязанский государственный медицинский университет имени академика И.П. Павлова. 05.10.2022 Самое важное на сегодня — сформированная команда, готовая в любой момент включиться в оказание медицинской помощи беременным женщинам! Об этом сказала во время диалога гематологов, акушеров-гинекологов и кардиологов. 05.10.2022 Разработка кафедры ортопедической стоматологии и ортодонтии РязГМУ помогает пациентам вернуться к полноценной жизни Покрывной протез используют как альтернативу имплантации, когда у человека остается мало своих зубов. 04.10.2022 Проект РязГМУ вышел в финальный этап конкурса «Премия ВОИР» Уникальную разработку кафедры ортопедической стоматологии и ортодонтии РязГМУ, которая является конкурентной альтернативой различным традиционным методам ортопедического лечения «Покрывной зубочелюстной протез для множественного отсутствия зубов» представил Александр Гуськов во время собрания участников и председателей проекта «ВОИРтехнопольза». 04.10.2022 «Новая стратегия в новой реальности — открытость, единство, суверенитет» Под таким девизом в Казани состоялся Российский национальный Конгресс кардиологов, который проходил с 29 сентября по 1 октября.

Новости

23.09.2022

Новости ФДПО РязГМУ

ФДПО

07.10.2022

ПРИГЛАШАЕМ СТУДЕНТОВ К УЧАСТИЮ ВО II МЕЖДУНАРОДНОЙ ОЛИМПИАДЕ ПО ПЕДИАТРИИ «МОЯ ПРОФЕССИЯ – ДЕТСКИЙ ВРАЧ»

Кафедры факультетской и поликлинической педиатрии с курсом педиатрии ФДПО и детских болезней с курсом госпитальной педиатрии РязГМУ приглашает всех на олимпиаду по педиатрии с международным участием «Моя профессия — детский врач».

05. 10.2022 IX Международная конференция студентов и молодых ученых «Психология и медицина: пути поиска оптимального взаимодействия» Приглашаем принять участие в IX Международной конференции студентов и молодых ученых «Психология и медицина: пути поиска оптимального взаимодействия», которая пройдет 23-24 ноября. 05.10.2022 ПРИГЛАШАЕМ К УЧАСТИЮ В МЕЖДУНАРОДНОЙ СТУДЕНЧЕСКОЙ ОЛИМПИАДЕ ПО КЛИНИЧЕСКОЙ ПСИХОЛОГИИ «ПСИХОЛОГИЯ И МЕДИЦИНА» К 120- ЛЕТИЮ СО ДНЯ РОЖДЕНИЯ АЛЕКСАНДРА РОМАНОВИЧА ЛУРИИ Мы рады сообщить, что в рамках IX Международной конференции студентов и молодых ученых «Психология и медицина: пути поиска оптимального взаимодействия», которая пройдёт 23-24 ноября 2022 года, состоится Международная студенческая олимпиада по клинической психологии «Психология и медицина», посвящённая 120-летию со дня рождения Александра Романовича Лурии. 04.10.2022 Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Актуальные вопросы педиатрии» состоится 27-28 октября 2022 года 03.10.2022 8 – 9 октября в стенах РязГМУ состоится конференция детских эндокринологов ЦФО «Достижения науки – в клиническую практику детского эндокринолога и педиатра. Неотложные состояния в детской эндокринологии» 26.09.2022 Научно-практический Форум «Школа гематолога», Рязань 12. 07.2022 В РЯЗГМУ ОБСУДЯТ АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПОСТОЯННОГО СОСУДИСТОГО ДОСТУПА Конференция, посвященная актуальным вопросам диагностических мероприятий, лечения и реабилитации пациентов на гемодиализе, требующих постоянного сосудистого доступа (ПСД), пройдет в РязГМУ 7 – 8 октября 2022 года. 01.07.2022 КОНФЕРЕНЦИЯ, ПОСВЯЩЁННАЯ 90-ЛЕТИЮ ПРОФЕССОРА П.Г. ШВАЛЬБА, ПРОЙДЕТ В РЯЗГМУ 9 июля в Рязанском государственном медицинском университете имени академика И.П. Павлова состоится научная конференция, посвящённая 90-летнему юбилею профессора П.Г. Швальба. 31.05.2022 АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПСИХИЧЕСКОГО ЗДОРОВЬЯ ОБСУДЯТ В РЯЗАНИ VIII Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Современные проблемы и психическое здоровье» пройдет в Рязани 3 июня. 25.05.2022 ПРИГЛАШАЕМ К УЧАСТИЮ В ОНЛАЙН-КОНФЕРЕНЦИИ ПО ТЕРАПИИ Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные вопросы терапии и общей врачебной практики», организованная кафедрой факультетской терапии имени профессора В.Я. Гармаша Рязанского государственного медицинского университета, состоится 26 мая.

Анонсы

Экологические сообщества

Экологический Сообщества: сети взаимодействующих видов

Хотим узнать:

  • Что такое экологическое сообщество и какие взаимодействия происходят внутри него?
  • Насколько важны различные категории взаимодействий видов, включая мутуализм, комменсализм, конкуренцию и хищничество?
  • Какие виды взаимодействия между видами становятся важными, когда многие виды влияют друг на друга?
  • Какие последствия имеют эти взаимодействия есть для биоразнообразия
26. 10.2008 Формат печати

Взаимодействие видов, пищевые сети и Экологические сообщества

Экологическое сообщество определяется как группа реально или потенциально взаимодействующих видов, живущих в одном место. Сообщество связано сетью влияний, которые виды имеют друг на друга. Неотъемлемым элементом этой точки зрения является представление о том, что все влияет на один вид, влияет и на многие другие — «баланс природы». Мы строим понимание сообществ, исследуя двусторонний и затем многосторонние взаимодействия с участием пар видов или многих видов.
тип взаимодействия знак эффектов
мутуализм +/+ оба вида выигрывают от взаимодействия
комменсализм +/0 один вид получает пользу, один не затрагивается
соревнования  -/- каждого вида негативно повлияло
хищничество, паразитизм, травоядность +/- один вид в выигрыше, другой в невыгодном положении

Пищевые сети являются графическими изображениями взаимосвязей между видами на основе энергии поток . Энергия входит в эту биологическую паутину жизни на дне схема, через фотосинтетический фиксация углерода зелеными растениями. Многие пищевые сети также приобретают подвод энергии за счет разложения органического вещества, например разложения листья на лесной подстилке с помощью микробов. Река Хорошим примером этого являются пищевые сети в заросших лесом ручьях.

Энергия движется от низшего к высшему трофические (кормовые) уровни по потреблению: травоядные потребляют растения, хищники поедают травоядных и, в свою очередь, могут быть съедены высшими хищниками. Некоторые виды питаются более чем на одном уровне тропиков, поэтому их называют всеядными. На рис. 1 представлена ​​упрощенная модель такой пищевой сети.

Обобщенная пищевая сеть. А пищевая сеть – это совокупность организмов, включающая продуцентов, консументов и редуценты, через которые энергия и материалы могут перемещаться в сообществе

Мы можем посмотреть на эту пищевую сеть с двух сторон. способы. Это может быть схема потока энергии (углерода) от растений к травоядных на плотоядных и так далее. Мы воспользуемся этим подходом, когда исследовать энергию течение в экосистемах. Кроме того, члены еда сети могут взаимодействовать друг с другом через любой из четырех типов взаимодействия названный выше. Взаимодействие между двумя видами в одной части сети может воздействовать на виды, находящиеся на некотором расстоянии, в зависимости от силы и знака взаимосвязи. Часто добавление вида (например, когда экзотический вид вторгается в новый район) или удаление вида (как в случае локального вымирания) на удивление далеко идущие последствия для многих других видов. Это связано с комплексом взаимосвязи видов в экологических сетях.

Экологи используют следующие термины для описания различных категорий эффектов изменения (в изобилии, или присутствие или отсутствие) одного вида на другом.

  1. Прямое воздействие относится к воздействию присутствия (или изменения численности) видов А на видах В в двухвидовое взаимодействие.
  2. Косвенные эффекты относятся к влияние присутствия (или изменения численности) вида А на виды C через промежуточный вид (A —> B —> C).
  3. Каскадные эффекты — это те, которые простираются на три или более трофических уровня и могут быть нисходящими (хищник —> травоядное —> растение) или восходящее (растение —> травоядное —> хищник).
  4. Краеугольные камни – те, которые производят сильное косвенное воздействие.

Концепция краеугольного камня одна из самых известных идей в области экологии сообществ. Хотя это верно, что многие виды потенциально взаимодействуют друг с другом в пище сети, такой как изображена на рисунке 1, в природе есть большие игроки и маленькие игроки. Крупнейшие игроки из всех называются краеугольными камнями. Это вид, наличие или отсутствие которого, или существенное увеличение или снижение численности сильно влияет на другие виды в сообществе. Доказательства обычно приходят из экспериментов, в которых один вид добавляется к или удален из сообщества. Название происходит от центрального камня в арке, поддерживающей свой вес наклоненными внутрь камнями. Удаление краеугольного камня приводит к обрушению арки.

В скалистой литорали В штате Вашингтон и в других подобных районах были показаны морские звезды. быть краеугольным камнем Все сообщество живет на относительно вертикальных скалах в омываемой волнами межприливная зона. Сообщество морских беспозвоночных и водорослей приспособлены цепляться или прилипать к скале, где большинство питается мелкие животные, взвешенные в воде (планктон). Двустворчатый моллюск, мидия Mytilus превосходно крепится к скалам, что делает его конкурентоспособным доминирующий. Морская звезда (Pisaster) является эффективным хищником мидий, предоставление пространства для других видов, и, следовательно, имеет решающее значение поддерживать разнообразное биологическое сообщество.

Известны случаи, когда хищник настолько сильно подавляет свою добычу (травоядных), что трофический уровень ниже (растения) выигрывает, потому что освобождается от давления травоядных. Такие «нисходящие» трофические каскады, где сообщество выглядит более-менее «зеленые» в зависимости от обилия хищников хорошо известны в озерах. Мы также знаем примеры, когда внесение удобрений в систему, повышающую рост, приводит к увеличению количества хищников за счет увеличения численности травоядные. Это трофический каскад «снизу вверх».

Наше понимание этих сложных взаимодействие видов придает смысл популярной фразе «баланс природы». Можно также оценить, как антропогенное удаление один вид (вымирание) или добавление одного вида (вторжение сообщества неместным видом) может нанести вред многим дополнительным виды, тема, которую мы рассмотрим в второй семестр.

Мы получим более полную оценку сложных, многосторонних взаимодействий между видами, когда мы проходим через этот цикл лекций. Тем не менее, мы можем полностью оценить сложность этих многосторонних взаимодействий полезно сначала понять нюансы различных двусторонних взаимодействий. Мы будем развивать наше понимание взаимодействия видов в экологических сообществах на основе этих построений блоки.

Мутуалистические взаимодействия

Мутуализм – это взаимодействие, при котором обе стороны выигрывают. Опыление — обычное мутуалистическое взаимодействие. растение получает передачу гамет, животное получает нектар (а также пыльцу).

Факультативный мутуализм полезен но не существенно для выживания и воспроизводства любой из сторон. Обязательный мутуализмы — это те, которые необходимы для жизни одного или обоих партнеров. Мы рассмотрим пример каждого.

Увлекательный факультативный мутуализм включает в себя народ боран в Африке и птицу, известную как медовый проводник. Согласно наскальным рисункам, люди собирали мед в Африке в течение 20 000 лет. Человек к охотничьим отрядам часто присоединяются более крупные медоуказчик ( Индикатор Индикатор ), который приводит их к пчелиным семьям. В незнакомых районах среднее время поиска без сопровождения составило 8,9 часа. но только 3,2 часа, если ориентироваться на птицу. Бораны используют огонь и дым, чтобы прогнать пчел, разбить гнездо и вынуть мед, но оставить личинки и воск позади. Птица получает доступ к личинкам и воску. Использование огня и дыма снижает риск укуса птицы, а люди увеличивают доступность гнезд. По словам Боранов, медоуказчик сообщает их: направления, от пеленга по компасу полета птицы; расстояние, от продолжительности исчезновения птицы и высоты насеста; а также прибытия, по «индикаторному звонку». Птицы и бораны могут выжить без другой, но каждый извлекает выгоду из этого факультативного мутуализма.

Мутуализм между некоторые муравьи и маленькое дерево, акация, дают прекрасный пример обязательного мутуализма. Эта конкретная система была тщательно изучена в Коста-Рике. Акация дает муравьям ряд преимуществ, в том числе укрытие (полые шипы), белок (бельтиевые тельца на кончиках листочков), нектар (секретируется у основания листьев). Муравей ( Pseudomyrmex ) обеспечивает несколько форм защиты. Нападает и уничтожает травоядных насекомых, Он также удаляет лозы, которые могут перерасти акацию, и убивает растущие побеги соседних растений, которые могут стать конкурентами. Он убирает лист мусор рядом с растением, а так как акация растет в сезонном сухая среда, где ему иногда угрожает пожар, муравейник мероприятия защищают дерево от урон от огня тоже.

 

Псевдомирмекс Нападение муравьев катидид на акации

Многие другие примеры взаимности может быть вам знакомо.

  • Симбионты кишечника у травоядных: млекопитающие не может переваривать целлюлозу
  • эндосимбиоз и происхождение эукариотических клетки: митохондрии, жгутики, хлоропласты, как полагают, происходят из свободноживущие бактерии
  • системы опыления
  • коралловый полип и его эндосимбионт «водоросль» (фактически динофлагеллята)

Комменсализм

Когда один вид получает пользу, а другой виды не получают ни пользы, ни вреда, взаимодействие равно «+/0». в на юго-востоке США и в Южной Америке цапли часто можно увидеть у крупного рогатого скота. пастбища. Они следуют за скотом, поедая выбитых или смещенных насекомых. вынуждены летать, как скот пасется в поле. Можно предположить, что цапли приносят пользу крупному рогатому скоту, потребляя насекомых, которые могут конкурировать с коровами за пищу. Взаимодействие было бы мутуализмом, если бы это было продемонстрировано (но, кажется, немного надуманно). Предполагая, что скот не приносит пользы, это комменсализм. Как показывает этот пример, часто бывает так, что мы не уверены если взаимодействие «+/O» или «+/+».

Рыба-клоун и анемон также иллюстрируют эта точка. Рыба-клоун прячется от врагов внутри жалящих щупалец морского анемона, к которому рыба-клоун невосприимчива. Некоторые сообщают об этом взаимодействии как мутуализм, утверждая, что рыба-клоун сбрасывает остатки пищи в рот анемона. Тщательные исследования не нашли большой поддержки для какой-либо пользы для анемона, так что это кажется комменсализмом.

Резюме

Взаимодействие видов в экологических Сети включают четыре основных типа двусторонних взаимодействий: мутуализм, комменсализм, конкуренция и хищничество (включая травоядность и паразитизм). Потому что многих связей между видами в пищевой сети, изменения одного вида могут иметь далеко идущие последствия. Далее мы рассмотрим конкуренцию и хищничество, а затем вернуться к рассмотрению более сложных непрямых и каскадных последствия.
 

Рекомендуемая литература
    Пурвес, В.К., Г.Х. Орианс и Х.К. Хеллер. Жизнь: биология . Синауэр, Сандерленд, Массачусетс.

     

     

1.2 Взаимодействие между организмами — LibreTexts по наукам о Земле

  1. Последнее обновление
  2. Сохранить как PDF
  • Идентификатор страницы
    12627

    • Введение

    В предыдущем разделе о мире маргариток взаимодействие между маргаритками выглядело очень просто. Тем не менее, Daisyworld имеет очень интересное поведение из-за обратной связи между черными и белыми маргаритками и температурой. В реальных экосистемах взаимодействия более разнообразны и сложны. Эти взаимодействия обычно вызывают обратную связь в соответствующих популяциях различных видов. Конкуренция за ресурсы и хищничество могут ограничивать популяции организмов. Взаимовыгодные отношения могут увеличить популяции обоих взаимодействующих видов. И организмы влияют на окружающую среду, формируя поверхность Земли и ресурсы, доступные экосистемам. Таким образом, взаимодействия между видами являются основным компонентом того, как земное сохраняется и развивается во времени.

    Некоторые типы взаимодействий

    Большинство взаимодействий между видами приносят как вред, так и пользу для вовлеченных организмов, но иногда результаты ближе к нейтральным. Обычно существует 6 типов взаимодействий при рассмотрении вреда и пользы для каждого вида (рисунок), но есть и другие способы структурирования взаимодействий (см. , например, это видео Академии Хана).

    Рисунок: Польза и вред для организмов при разных типах взаимодействия. На этой диаграмме хищничество имеет тот же эффект, что и паразитизм. (Диаграмма Яна Александра, Википедия, CC BY-SA 4.0)

    Следующие разделы включают эти типы взаимодействий с примерами. Для первых трех типов взаимодействия, мутуализма, нейтрализма и конкуренции, эффекты взаимодействия одинаковы для обоих видов. Для следующих трех эффекты асимметричны: один вид получает больше пользы от взаимодействия, чем другой. Обратите внимание, что эти категории не являются единственными типами взаимодействия и не могут охватить тонкости реальных взаимодействий между организмами. Например, как вписывается в эту классификацию опоссум, толкающий скунса в воду? (Признание: я просто хотел добавить ссылку на видео.)

    Мутуализм

    Многие взаимодействия приносят пользу обоим организмам, и для того, чтобы отношения были взаимовыгодными, оба вида должны добиваться большего успеха при взаимодействии друг с другом. Эти отношения включают в себя организмы, обеспечивающие ресурсы и защиту друг друга. Экосистемы обычно строятся вокруг этих отношений, а мутуалистические отношения позволяют накапливать большое количество биомассы, скажем, в тропических лесах. Организмы, помогающие друг другу, увеличивают количество и разнообразие жизни, которую можно поддерживать.

    Примеры: Насекомые опыляют цветы, которые обеспечивают насекомых нектаром и пыльцой в качестве пищи. Грибы получают свою энергию от разрушения мертвой древесины, чтобы высвободить питательные вещества для живых деревьев. Бактерии в нашем кишечнике помогают нам переваривать пищу, и мы обеспечиваем им стабильную среду с большим количеством пищи для себя. Примеры безграничны.

    Нейтрализм

    Некоторые виды существуют в одной среде, не влияя напрямую друг на друга. Если они используют разные ресурсы в окружающей среде и не охотятся друг на друга, их прямые взаимодействия нейтральны — ни хорошо, ни плохо ни для одного из видов. Даже если их взаимодействие нейтрально, они являются частью одной и той же экосистемы, поэтому изменения в экосистеме могут влиять на оба вида одинаково или по-разному.

    Пример : Калифорнийские суслики и олени-мулы обитают во многих экосистемах Калифорнии. Белки обычно едят семена, ячмень, овес и желуди с некоторыми насекомыми и птичьими яйцами. Напротив, олени-мулы в основном питаются кустами и деревьями, при этом желуди составляют важную часть их рациона летом и осенью (Sommer et al., 2007). Эти два вида могут конкурировать за желуди, когда другие ресурсы скудны, но в основном они существуют в нейтральной близости друг к другу. Однако на обоих охотятся койоты, рыси и пумы, поэтому их популяции связаны через другие виды. Например, если популяция белок сокращается, скажем, из-за хищничества краснохвостых ястребов, на оленей может оказываться большее давление хищников со стороны их обычных хищников, например. койоты, рыси и пумы. Таким образом, большая популяция белок может уменьшить хищничество оленей, косвенно принося им пользу, а также усилить конкуренцию за желуди, если другие пищевые ресурсы невелики.

    Конкуренция

    Конкуренция за ресурсы и пространство очень распространена среди видов, играющих сходные роли в экосистеме. Когда виды соревнуются друг с другом, оба платят цену за эту конкуренцию, потому что они делят ресурсы. Когда взаимодействие носит преимущественно конкурентный характер, любой вид будет лучше, если другой не будет присутствовать. Конкуренция, как правило, стимулирует отбор организмов, которые лучше всего подходят для конкретной роли в экосистеме, при этом популяция лучше приспособленных видов увеличивается по сравнению с менее приспособленными видами. По мере увеличения популяции более успешных видов конкуренция меньше влияет на нее, потому что каждый организм меньше взаимодействует со своими конкурентами. Напротив, каждая особь менее успешных видов испытывает относительно более конкурентные взаимодействия, что увеличивает вред, причиняемый ими.

    Пример: Луга Калифорнии были заселены новыми видами трав, завезенными человеком. Эти новые виды превзошли местные виды из-за их большей способности размножаться во многих средах (см., например, Corbin and D’Antonio, 2010). Новые виды занимают место и питательные вещества, ранее используемые местными травами. В этом случае аборигенные виды в ходе соревнований испытали значительно больший вред, чем виды-вселенцы.

    Пример: Виргинские опоссумы и полосатые скунсы действительно в какой-то степени конкурируют друг с другом. Оба являются оппортунистическими кормушками, поедая почти все, что доступно, при этом опоссумы едят больше мелких позвоночных и растений, а скунсы больше внимания уделяют насекомым. Они тоже примерно одного размера. Таким образом, они играют аналогичную роль в экосистеме и могут конкурировать как за пищу, так и за норы, хотя опоссумы также могут укрываться на деревьях. В отличие от примера трав, опоссумы и скунсы обычно сосуществуют, с менее интенсивной конкуренцией, а их способности к размножению более равными во многих экосистемах.

    Комменсализм

    Иногда взаимодействия приносят пользу одному организму, не принося ни пользы, ни вреда другому организму. Эти типы отношений также очень распространены и способствуют развитию разнообразных экосистем.

    Примеры: Древесная лягушка в тропическом лесу извлекает выгоду из среды обитания, созданной деревом, в котором она живет, не причиняя вреда и не принося пользу дереву. Цапля крупного рогатого скота может поймать вдвое меньше пищи, затрачивая две трети энергии, если она ищет насекомых рядом с пасущимися животными, которые беспокоят насекомых. Эта деятельность не приносит прямой пользы пасущимся животным и не вредит им.

    Аменсализм

    Взаимодействия не могут оказывать никакого влияния на один вид, причиняя вред другому. Эти взаимодействия обычно не связаны с поведением вида, которое не приносит вреда или пользы. Они могут включать такие взаимодействия, как изменение окружающей среды, случайное уничтожение организмов и другие воздействия.

    Примеры: Бегемоты потребляют значительное количество неперевариваемых органических веществ и производят очень большое количество какашек. Они часто какают в прудах, и эти пруды могут стать бескислородными, убивая водные организмы, которым для жизни требуется кислород (Pennisi, 2018). Большинство животных наступают на насекомых, убивая их.

    Паразитизм и хищничество

    Паразитизм и хищничество приносят большую пользу одному виду и наносят значительный вред другому. В обоих случаях один организм забирает ресурсы у другого. Паразитизм предполагает, что один организм живет за счет ресурсов другого в течение длительного периода времени, не вызывая его смерти. Паразиты получают выгоду от выживания своего организма-хозяина. Напротив, хищничество обычно включает в себя убийство жертвы и ее поедание. Часто паразиты малы по сравнению со своими хозяевами, тогда как хищники часто примерно такого же размера или крупнее своей добычи. Эта разница в размерах связана с энергетическими потребностями организма по отношению к его размеру: как правило, более крупным организмам требуется больше энергии для накопления своей биомассы и поддержания своей активности. Маленький паразит может брать энергию у более крупного хозяина в течение длительного периода времени, не убивая его. Напротив, более крупный организм обычно нуждается в большем количестве энергии, поэтому ему трудно поддерживать себя, не убивая организм, на который он охотится. Точно так же легче убить организм того же размера или меньше, поэтому хищники, как правило, охотятся на более мелкие организмы. Напротив, паразиты обычно убивают, вызывая системные проблемы у своих хозяев, такие как болезни, извлечение слишком большого количества ресурсов или захват клеточных процессов в случае вирусов.

    Паразитизм Примеры: Паразиты включают такие организмы, как клещи, которые живут за счет сосания крови млекопитающих. Другие паразиты включают омелу, живущую на деревьях; омела эволюционировала, чтобы посадить свои «корни» в систему циркуляции деревьев, извлекая питательные вещества и воду из хозяина. Это может нанести значительный ущерб дереву.

    Хищничество Примеры: Очевидные примеры включают животных, которые охотятся на других животных. (см. https://necsi.edu/predator-prey-relationships для некоторых примеров.)

    Extra:

    Есть много вопросов относительно того, как травоядность (поедание растений) вписывается в эту схему взаимоотношений. Если травоядное убивает растение, взаимодействие похоже на хищничество. Тем не менее, многие растения выживают, а некоторые даже эволюционировали, чтобы лучше питаться другими видами. Например, фрукты часто привлекают другие виды, чтобы помочь распространить семена растения. Таким образом, отношения между растениями и вещами, которые их едят, можно оценивать с точки зрения вреда и пользы, как и отношения, связанные с взаимодействием других видов.

    Резюме

    Отношения между организмами могут быть более сложными, чем то, кто выигрывает или проигрывает от прямого взаимодействия. Как прямые, так и косвенные взаимодействия были движущими силами эволюции, что привело к возникновению глубоко взаимосвязанных сообществ внутри экосистем. Со временем отношения часто становятся более сложными и взаимозависимыми, поскольку виды помогают и вредят друг другу, реагируя на окружающие их организмы. Эти взаимодействия часто приводят к стабилизирующим обратным связям и устойчивым экосистемам. Однако иногда геологическое событие, эволюция революционного процесса или интродукция нового вида могут нарушить установившиеся отношения и привести к экологическим изменениям, вызывающим усиливающуюся обратную связь.

    Вернуться в Мир Маргариток

    Во введении к этой главе я задал несколько вопросов о взаимодействии между маргаритками в Мире Маргариток:

    Сколько существует различных типов взаимодействий? Можно ли их классифицировать по типам взаимодействия, описанным во второй части главы? Если бы это была настоящая экосистема, какие еще организмы понадобились бы для роста маргариток? Как любая из этих потребностей повлияет на простую модель Daisyworld?

    Как бы вы ответили на эти вопросы, прочитав о различных типах взаимодействия? Что бы вы хотели добавить в модель Daisyworld?

    Ссылки

    https://animaldiversity.org

    Соммер, М. Л., Р. Л. Барбоза, Р. А. Ботта, Э. Б. Кляйнфельтер,
    М. Э. Шаусс и Дж. Р. Томпсон. 2007. Рекомендации по среде обитания для оленей-мулов: Экорегион Калифорнийского лесного чапараля. Рабочая группа по оленям-мулам, Западная ассоциация агентств рыболовства и дикой природы. PDF

    Пенниси, 2018 г. https://www.sciencemag.org/news/2018…-across-africa

    Корбин и Д’Антонио, 2010 г. https://link.springer.com/article/10…258-010-9722-0

    1.2 Interactions Among Organisms распространяется по незадекларированной лицензии, автором, ремиксом и/или куратором является LibreTexts.

    1. Наверх
      • Была ли эта статья полезной?
      1. Тип изделия
        Раздел или страница
      2. Метки
          На этой странице нет тегов.

      Взаимодействие видов – понимание глобальных изменений

      Что такое взаимодействие видов?

      Жираф, питающийся на дереве, является примером прямого взаимодействия видов. Фото: Pixabay

      Виды взаимодействуют и таким образом влияют друг на друга. Взаимодействие видов может быть прямым или косвенным и иметь положительные или отрицательные последствия. Прямые взаимодействия наиболее очевидны, например, жираф ест листья с дерева. Это взаимодействие положительно влияет на жирафа, потому что жираф получает питание от дерева, и отрицательно влияет на дерево, потому что дерево теряет листья, которые ему нужны для жизни.0237 фотосинтезирует для производства энергии. Тем не менее, жирафы также оказывают прямое положительное влияние на деревья, оставляя свой помет на земле, который обогащает почву питательными веществами, повышая качество почвы, и, таким образом, способствуя росту деревьев и других растений. Этот рост растений, в свою очередь, обеспечивает пищу для различных травоядных, включая жирафов, и поэтому жирафы косвенно помогают поддерживать выживание других травоядных видов. Рост растений также обеспечивает убежище и места гнездования для более мелких животных, включая птиц и насекомых, и поэтому сеть непрямых взаимодействий видов расширяется, включая еще больше видов.

      Взаимодействия видов влияют на размер популяций видов и, таким образом, на биомассу и продуктивность экосистемы. Взаимодействия видов также вызывают эволюционных изменений, влияющих на их способность выживать и воспроизводиться на протяжении многих поколений. Изучите приведенные ниже примеры, чтобы узнать больше о взаимодействии видов.

      Модели Земной системы о взаимодействии видов

      Поскольку виды взаимодействуют как прямо, так и косвенно с другими видами, моделирование взаимодействия видов в биосфере может очень быстро усложниться. Например, кислород вырабатывается фотосинтез , и почти каждый организм, включая фотосинтезирующие организмы, использует кислород для расщепления пищи на энергию посредством процесса, называемого дыханием. Таким образом, почти все виды косвенно взаимодействуют с фотосинтезирующими видами, и, таким образом, фотосинтезирующие виды имеют отношение ко всем моделям системы Земли о биосфере. Некоторую сложность взаимодействия видов в земной системе можно отразить с помощью относительно простых моделей, например модели, показанной ниже.

      Колибри, питающаяся нектаром цветка водосбора. Длинные шпоры, отходящие от задней части цветка, содержат нектар. Предоставлено: Flickr

      Ниже мы приводим модели системы Земля, которые сосредоточены на взаимодействии видов. Обратите внимание, что мы включаем только те взаимодействия, которые самым непосредственным образом влияют на соответствующие виды, игнорируя некоторые прямые и многочисленные косвенные взаимодействия, которые также влияют на виды в модели.

      Наша первая земная система фокусируется на том, как взаимодействие видов может повлиять на эволюция цветков водосбора. Чтобы понять, как это работает, вам нужно знать, что водосборы, как и большинство цветковых растений, развили цветочные черты (цвета и формы) для привлечения опылителей, насекомых и птиц, которые переносят пыльцу между растениями. Опылители посещают цветы водосбора, чтобы найти пищу в виде нектара, который производит растение. Когда каждый опылитель питается, он непреднамеренно трется о тычинки, перенося пыльцу на тело опылителя. Затем, когда опылитель перемещается от цветка к цветку, чтобы питаться, часть этой пыльцы трется о другие цветы. Таким образом, когда опылитель путешествует от цветка к цветку, питаясь нектаром, он непреднамеренно помогает опылять цветы. Наведите указатель мыши на значки для получения кратких пояснений; нажмите на значки, чтобы узнать больше о каждой теме.

      Как деятельность человека влияет на взаимодействие видов

      Деятельность человека прямо и косвенно влияет на взаимодействие видов. Наше прямое воздействие включает крупномасштабную сельскохозяйственную и сельскохозяйственную деятельность , которая увеличивает численность популяции пищевых видов и уменьшает численность видов, занимающих мест обитания , преобразованных в результате сельскохозяйственной и фермерской деятельности. Охота и рыболовство также уменьшают размеры популяций эксплуатируемых видов. Мелкая охота за едой также может воздействовать на нас напрямую, но негативно, например, через передачу вредных животных болезней , таких как лихорадка Эбола и ВИЧ, в человеческую популяцию в результате употребления в пищу диких животных. Косвенное воздействие человека на взаимодействие видов включает изменение среды обитания в результате крупномасштабного земледелия и сельскохозяйственной деятельности, а также урбанизацию . Косвенные воздействия также включали воздействие изменения климата, например, через экстремальные погодные условия , включая засуху и пожары , а также через такие процессы, как подкисление океана .

      Пример модели влияния деятельности человека на взаимодействие видов

      Йеллоустонские волки

      Члены волчьей стаи друидов в Йеллоустонском национальном парке преследуют лося-быка. Предоставлено: NPS

      Стаи волков когда-то бродили по большей части Северной Америки, но на них активно охотились, и они были истреблены на большей части своей территории, включая Йеллоустонский парк. Преобразование экосистемы Йеллоустона после их реинтродукции в 1995 году подчеркивает то, как прямые и косвенные взаимодействия формируют экосистемы, и иллюстрирует, как воздействие человека может как ухудшить (с исчезновением волков), так и обогатить экосистемы. Наведите указатель мыши на значки для получения кратких пояснений; нажмите на значки, чтобы узнать больше.

      Изучение системы Земли

      Каждый термин, выделенный жирным шрифтом на этой странице (например, популяции видов, продуктивность и биомасса и т. процессы и явления, связанные с взаимодействием видов. Посетите эти другие страницы, чтобы продолжить изучение системы Земли. Кроме того, изучите инфографику «Понимание глобальных изменений» и найдите новые темы, представляющие интерес и/или актуальные для вас на местном уровне.

      No related posts.

      Добавить комментарий

      Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *