Четыре типа сил, известных в природе. В физике рассматривается много сил: силы трения, упругости, электродвижущая сила, силы сцешления, 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) әлектромагнитное;
3) сильное, или ядерное;
4) слабое.
Все остальные взаимодействия, которые упоминались выше, можно отнести к одному или нескольким из указанных.
Взаимодействия отличаются как по своей интенсивности, так и по кругу явлений, в которых они существенны. Рассмотрим кратко особенности этих взаимодействий.
Гравитационное взаимодействие. Оно подчиняется закону тяготения Ньютона. В подавляющем большинстве случаев закон Ньютона дает хорошее описапие 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, или, 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 пзменением 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 гравитонов возможны два подхода к проблеме тяготения. Либо гравитационное взаимодействие полностью подпадает под схему описания всех других взаимодействий, если гравитоны 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.

Элегтромагнитные взаимодействия. Опи обусловлены электрическим и магиитным взаимодействием зарядов, законы которого точно известны и хорошо изучены. В сравнении с гравитационным взаимодействием электромагнитное неизмеримо сильнее. Например, между двумя электронами, находящимися на расстоянии $r$ друг от друга, действует сила гравитационного притяжения
$F_{m}=G \frac{m_{0}^{2}}{r^{2}}$,
где $G=6,7 \cdot 10^{-11} \mathrm{H} \cdot \mathrm{m}^{2} / \kappa \Gamma^{2}, m_{0}=9,1 \cdot 10^{-31}$ кг – масса электрона. Электрическая сила отталкивания между ними
\[
F_{e}=\frac{e^{2}}{4 \pi \varepsilon_{0} r^{2}}
\]
где $e=1,6 \cdot 10^{-19}$ Кл – заряд электрона, $\varepsilon_{0}=8,82 \cdot 10^{-12} \Phi /$ әлектрическая постоянная. Из (29.1) и (29.2) следует
\[
\frac{F_{e}}{F_{m}}=\frac{e^{2}}{4 \pi \varepsilon_{0} G m_{0}^{2}} \approx 10^{43} .
\]

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 они 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 это обусловлено электромагнитными взаимодействиями.

Важнейшая проблема современной науки – проблема управляемых термоядерных реакций – в своей главной части является электродинамической 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.

Электромагнитные 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, бо́льших, чем ядерные, но меньших, чем астрономические, электромагнитные взаимодействия играют главную роль.

Сильные взаимодействия. Сильные, или ядерные, взаимодействия являются силами притяжения, действующими, например, между протопами и нейтронами в ядре. Поэтому их называют ядерными силами.
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 $10^{-15}$ м (это порядок размера ядер) и являются короткодействующими. На более далеких расстояниях они практически обращаются в нуль. На расстояниях же, меньших $10^{-15}$ 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 $n$. Поскольку общее число частиц $n$, а энергия взаимодействия каждой из них с другими пропорциональна также $n$, то общая энергия взаимодействия пропорциональна $n^{2}$.

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 $n$, находящихся, например, в ядре. Поскольку энергия взаимодействия каждой из них с другими примерно постоянна, то общая энергия взаимодөйствия между частицами пропорциональна $n$. 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 рав 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 таков 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 искусотвенно, но они живут лишь конечное время, в большинстве случаев очень и очень короткое, и в результате распада превращаются в более легкие ядра.
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. Иначе говоря, эти силы не зависят от того, имеет ли участвующая во взаимодействии частица электрический заряд или она нейтральна.

Ядерные силы весьма сложным образом зависят не только от относительного движения взаимодействующих частиц, но и от взаимной ориентации их спина. Спин характеризует наличие внутреннего момента количества движения частиц и образно может быть представлен как результат «вращения» частицы вокруг некоторой оси, проходящей через нее. Однако такое представление о «вращении» частицы как источника имеющегося у нее внутреннего момента количества движения используется лишь для наглядности и не означает, что частица в действительности вращается. При разумных предположениях о \”размерах» частиц приплось бы допустить линейные скорости при вращении, бо́льшие, чем скорость света. Оснований для таких допущений в настоящее время нет. С наличием спина у частиц связано существование их магнитного момента, который является источником магнитного поля. Известно, что магнитное поле порождается либо электрическими токами, либо изменяющимся электрическим полем, а магнитных зарядов, аналогичных электрическим зарядам, не существует. По тем же соображениям, что и спин, магнитный момент не может быть объяснен наличием электрических токов влутри частицы. В настоящее время он рассматривается как первоначальная сущность, как источник магнитного поля, не сводимый к другим известным источникам. Экспериментально показано, что свойства частиц, связанные со спином, весьма важны для понимания ядерных сил.

Таким образом, можно заключить, что закон действия ядерных сил, по всей вероятности, является сложным законом. Возможно, в сравнении с законом электромагнитных взаимодействий он значительно более сложен, чем закон электромагнитных взаимодействий в сравнении с законом тяготения Ньютона. Какого-либо интереса с точки зрения механики эти силы не имеют. Можно говорить о движении протонов и нейтронов в ядре под действием этих сил, но оно может быть рассмотрено лишь с помощью квантовой механики.

Слабые взаимодействия. Этот тип взаимодействия ответствен за взаимопревращения многих элементарных частиц. Слабые взаимодействия проявляются лишь в пределах «объема» элементарньх частиц, хотя понятие «объема» може’ быть употреблено лишь очень и очень условно. В данном случае нельзя говорить о «силе» в обычном смысле. Тем не менее необходимо дать количественную меру интенсивности этих взаимодействий. Интенсивностью этих взаимодействий обусловливается время существования некоторых частиц до момента распада, т.е. время жизни таких частиц. Чем сильнее взаимодействие, тем меньше время жизни. По этому признаку можно говорить об интенсивности взаимодействий и сравнивать взаимодействия между собой. Оказывается, слабое взаимодействие в миллион миллиардов раз меньше электромагнитного (поэтому оно и называется слабым), но все же неизмеримо больше гравитационного. Какую-либо роль в описании механического движения частиц оно не играет и поэтому с точки зрения механики не представляет интеpeca.