Фундаментальные взаимодействия

Фундаментальные взаимодействия (силы) - это наиболее глубокие физические структурные связи Вселенной, природы. Все действующие в природе силы можно свести к небольшому числу взаимодействий. В начале XX века их было известно два - гравитационное и электромагнитное. В 1930-х годах было обнаружено еще два - слабое и сильное. Цель физики - объединить все взаимодействия в одно и тем самым создать общую физическую теорию материи (единую теорию элементарных частиц).

В настоящее время считается, что силы между частицами возникают в результате обмена частицами-переносчиками.

Относительную «силу» взаимодействий определяют числовые значения их констант. В безразмерных величинах константа сильного взаимодействия α_s≈1. Константа электромагнитного взаимодействия (постоянная тонкой структуры) α_e≈1/137. Константа слабого взаимодействия α_w≈10^-5. Константа гравитационного взаимодействия α_g≈10^-39. Оно является самым слабым. Взаимодействия также характеризуются временем действия. В этом плане слабым, т.е. самым медленным является слабое взаимодействие.

Роль этих постоянных в формировании структуры и свойств Вселенной настолько велика, что их не случайно включают в число мировых постоянных – наиболее фундаментальных физических параметров, характеризующих свойства Вселенной.

Гравитационные взаимодействия – самое универсальное, т.к. есть между любыми материальными объектами. Все частицы создают гравитационное поле. Это самое слабое взаимодействие, не учитываемое при описании элементарных частиц. Оно в 10³⁹ раз меньше силы взаимодействия электрических зарядов. Например, гипотетический «гравитационный атом» водорода был бы больше Вселенной. Однако на сверхмалых расстояниях порядка планковской величины L_p═10^-33 см и при сверхбольших энергиях гравитация становится сравнимой по силе с другими взаимодействиями.

Силы гравитации – силы притяжения, но в настоящее время рассматривается предположение существования гравитационного отталкивания, действовавшего в первые мгновения Вселенной.

Квантование гравитации предполагает существование гравитона – нейтральной частицы с нулевой массой покоя и спином 2. Это квант флуктуирующего пространства-времени, сочетающий свойства элементарной частицы и волны искривления, бегущей по четырехмерному миру. Гравитоны экспериментально обнаружить невозможно, т.к. в микромире гравитация ничтожна. Квантовые эффекты в гравитационном поле проявляют себя при плотности вещества порядка 10⁹³ г/см³ (сингулярность, черная дыра), когда гигантские массы вещества сжимаются до незначительных размеров.

Квантовую теорию гравитации (КТГ) пока создать не удалось. КТГ должна объединить квантовую механику с общей ОТО. Оказалось, что стандартным образом они несовместимы. ОТО – принципиально неквантовая теория, т.к. при квантовании гравитации исчезают пространство и время - они теряют смысл внутри квантов пространства и времени. А гравитация в ОТО отождествляется с искривленным пространством-временем. Таким образом, теряет смысл и гравитация. Но на рубеже XX-XXI веков на базе теории суперструн появились возможности синтеза квантовой механики и ОТО.

Электромагнитное взаимодействие (ЭМВ) – взаимодействие, характеризующее притяжение и отталкивание электрических и «магнитных» зарядов. Является дальнодействующим, в 1000 раз слабее сильного, осуществляется в течение10^-19 – 10^-21 сек. Носителем является фотон – квант электромагнитного поля.

ЭМВ определяет структуру атомов и молекул, отвечает за большинство физических и химических процессов (силу упругости, силу трения, оптические явления, химические превращения и др.). Квантовая теория ЭМВ или квантовая электродинамика (КЭД) была создана в середине XX века. Эта теория описывает взаимодействия электромагнитного поля и заряженных частиц, а также заряженных частиц между собой. КЭД удовлетворяет основным принципам квантовой механики и СТО – является их синтезом.

Если в классической теории электроны предстают в виде твердых точечных шариков, то в КЭД электрон окружен собственным электромагнитным полем, рассматривающимся как облако виртуальных фотонов. Фотоны очень быстро возникают и исчезают, а электроны движутся в пространстве по не вполне определенным траекториям (влияние вакуума). Если в классической теории электрон движется по определенной траектории, то в КТП строго можно определить только начальную и конечную точки пути.

Взаимодействие зарядов происходит через обмен виртуальными фотонами. Взаимодействие между электромагнитным полем и зарядом осуществляется через виртуальные фотоны, рождаемые частицей. Фотон, в свою очередь, превращается в виртуальную электрон-позитронную пару, которая аннигилирует (уничтожается) с образованием нового фотона. В результате заряженная частица окружена облаком виртуальных фотонов, электронов и позитронов.

Таким образом, КЭД предсказывает рождение в сильных электромагнитных и гравитационных полях виртуальных пар частица-античастица. КЭД проверена на большом числе опытов. Результаты проверок совпадают с предсказаниями с огромной точностью.

В 1965 году за создание КЭД С.Томонага, Р.Фейнман, Дж.Швингер получили Нобелевскую премию. КЭД стала моделью для квантового описания других взаимодействий.

Слабое взаимодействие – фундаментальное взаимодействие, отвечающее за распад частиц («распадное» взаимодействие), точнее – за превращение кварков и лептонов друг в друга. Особенность взаимодействия в том, что оно не создает тянущих или толкающих усилий в смысле механики. Оно лишь превращает одни частицы в другие. В ядре постоянно происходят превращения нуклонов - протонов в нейтроны и наоборот за счет обмена между кварками квантами слабого взаимодействия. Возможно превращение в ядре нейтрона в протон с последующим распадом ядра. Без слабого взаимодействия невозможны были бы термоядерные реакции на звездах, т.к. является их составной частью (образование дейтерия), вызывает взрывы сверхновых звезд.

Слабое взаимодействие сильнее гравитационного по мощи, но слабее по интенсивности (скорости протекания), т.к. имеет самый маленький радиус действия – порядка 10^-16 см, т.е. действует медленнее всех. Время действия порядка 10^-10 сек. Этим, например, объясняется колоссальная проникающая способность нейтрино. Каждую секунду через площадку 1 см² на Земле проходит без столкновений около 10¹⁰ нейтрино, испущенных Солнцем.

Теория взаимодействия начала разрабатываться в 1930-60-е годы Э.Ферми совместно с другими физиками, связана с открытием радиоактивности. При распаде частиц казалось, что нарушается закон сохранения энергии – «исчезала» энергия. Паули предположил, что выделяется частица с высокой проникающей способностью. Позже ее назвали «нейтрино». Нейтрино - участники только слабых взаимодействий (помимо гравитационных).

Законченная теория была создана в конце 1960-х годов С.Вайнбергом и А.Саламом в рамках теории электрослабого взаимодействия. Выяснилось, что для описания слабого взаимодействия необходимы три силовых поля с тремя переносчиками взаимодействия – тяжелыми бозонами со спином 1: W⁺, W^-, Z⁰ (нейтральный бозон означает, что слабое взаимодействие может не сопровождаться переносом электрического заряда). Новая теория, в отличие от прежней, обосновывала необходимость Z⁰-бозона. В 1983 году все эти бозоны были экспериментально обнаружены.

Сильные взаимодействия характеризуют притяжение и отталкивание между кварками. Они, например, происходят на уровне атомных ядер и представляют собой взаимное притяжение и отталкивание их составных частей. Участвуют только тяжелые частицы - адроны. Главная функция в ядре – создание прочной связи между нуклонами (протонами и нейтронами). Радиус действия порядка10^-13 см, время действия – 10^-19–10^-21 сек. За пределами ядра взаимодействие отсутствует. Размеры ядра 10^-12-10^-13 см. Плотность ядра 10¹⁴ г/см³. Ядра элементов в конце таблицы Менделеева неустойчивы, так как их радиус велик.

Теория создана по типу теории слабого взаимодействия. Взаимодействие представляется как результат обмена глюонами, которые обеспечивают связь кварков (попарно или тройками) в адроны. Из теории следует, что должно быть 8 типов глюонов, как и фотоны имеющих массу покоя=0 и спин=1.

Квантовая теория сильного взаимодействия называется квантовой хромодинамикой (КХД). Сильное взаимодействие здесь трактуется как стремление сохранить «белый цвет» адронов при изменении цвета их частей - кварков. КХД объясняет, почему кварки не существуют в свободном состоянии. С ростом расстояния между кварками силы притяжения возрастают до бесконечности. Экспериментальный статус теории достаточно прочен.

Сильные взаимодействия – источник огромной энергии. Пример – термоядерные реакции в звездах. Принцип сильного взаимодействия использован в ядерном оружии.

Поиск по сайту: