Можно пойти ещё дальше и описать взаимодействие между элементарными частицами, из которых состоят тела (см. рис. 21).

Рис. 21. Взаимодействие между элементарными частицами

Такие взаимодействия называют фундаментальными. Выделяют всего 4 фундаментальных типа взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое.

Фундаментальные взаимодействия

Какие взаимодействия встречаются в природе? С одной стороны, ответить на этот вопрос нельзя: взаимодействий бесконечно много, каждое взаимодействие можно описывать отдельно, с помощью новой модели.

Но много ли нужно таких моделей? Например, взаимодействие любой нити с грузом мы объединили моделью «сила натяжения» (см. рис. 22).

Рис. 22. Модель «сила натяжения»

Силу натяжения, силу упругости, вес, силу трения можно тоже объединить, найти в них нечто общее. Их причина – межмолекулярное взаимодействие, которое происходит из-за взаимодействия заряженных частиц, из которых состоят атомы (см. рис. 23).

Рис. 23. Межмолекулярное взаимодействие

Оказывается, что любые взаимодействия в природе можно рассматривать как проявления одного из четырёх взаимодействий, которые назвали фундаментальными.

Первый вид взаимодействия – это гравитационное взаимодействие. По-другому его еще называют силой тяготения (см. рис. 24).

Рис. 24. Гравитационное взаимодействие

Это взаимодействие определяется массами тел.

Второй вид взаимодействия – это электромагнитное взаимодействие. Оно часто описывается с помощью двух моделей: электрическое и магнитное взаимодействие (см. рис. 25).

Рис. 25. Электромагнитное взаимодействие

Третий и четвёртый виды – это сильное и слабое взаимодействия. Подробнее о них чуть позже.

Гравитационное взаимодействие более слабое, чем электрическое и сильное, поэтому обычно мы говорим о нём в масштабах космических тел. Мы ощущаем своё притяжение к Земле, ведь Земля обладает огромной массой, но мы не ощущаем своего притяжения, например, к столу, к доске либо к другим телам, массы которых малы по сравнению с массой Земли (см. рис. 26).

Рис. 26. Примеры гравитационного взаимодействия

В электромагнитное взаимодействие вступают тела, обладающие электрическим зарядом (см. рис. 27).

Рис. 27. Взаимодействие электрических зарядов

В состав любого атома входят заряженные частицы: электроны, протоны, которые взаимодействуют посредством электромагнитного поля (см. рис. 28).

Рис. 28. Взаимодействие заряженных частиц в атоме

Именно из-за электромагнитного взаимодействия возникают такие механические силы, как сила трения и сила упругости (см. рис. 29).

Рис. 29. Силы трения и упругости

Эти силы мы рассматриваем в механике (по их проявлению), хотя их природа именно электромагнитная.

К открытию сильного взаимодействия привело решение следующей задачи: учёные задумались, каким же образом протоны, которые заряжены положительно и входят в состав ядра, удерживаются вместе, ведь одноимённо заряженные тела должны отталкиваться. Именно тогда учёные предположили, что протоны в ядре удерживает особый вид взаимодействия. Оно более сильное, чем электромагнитное, раз не даёт заряженным частицам разбежаться, и поэтому получило название «сильное» (см. рис. 30).

Рис. 30. Сильное взаимодействие

Его особенность в том, что сила взаимодействия быстро убывает с расстоянием, поэтому оно наблюдается на очень маленьких расстояниях – порядка размера атомного ядра. Как только мы удаляем протон немного дальше, взаимодействие резко ослабевает (см. рис. 31).

Рис. 31. Сила взаимодействия уменьшается с увеличением расстояния

Итак, сильное взаимодействие обеспечивает сохранность атомного ядра.

И наконец, слабое взаимодействие. Благодаря этому происходят некоторые процессы в мире элементарных частиц, о которых мы поговорим позже (например, бета-распад радиоактивных элементов (см. рис. 32)).

Рис. 32. Пример процесса, в котором проявляется слабое взаимодействие

Итак, в природе наблюдается четыре вида взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. На данный момент не прекращаются попытки объединить четыре модели фундаментальных взаимодействий в одну универсальную. То есть представить гравитацию, электромагнетизм и т. д. как разные проявления одного фундаментального взаимодействия. Кое-что в этом направлении уже удалось сделать: объединить электромагнетизм, сильное и слабое взаимодействие в одну модель. Но пока не удаётся объединить эту модель с моделью гравитации.

Если бы можно было учесть все фундаментальные взаимодействия частиц тел, то мы бы смогли точно описать положение каждой частицы в любой момент времени.

Но даже капля воды состоит приблизительно из молекул – это в сотни миллиардов раз больше, чем людей на Земле! То есть даже описание взаимодействия всех молекул одной капли воды практически невыполнимая задача. Но нужно ли нам описывать все эти взаимодействия? Ведь чаще всего нас интересует движение всего тела: летит самолёт, вращается юла, качается ветка на ветру. Это всё равно, что рассматривать поведение животного по клеткам. Поэтому в физике используется модель физического тела.