التفاعلات الأساسية 1. أنواع التفاعلات الأساسية في الفيزياء

القدرة على التفاعل هي الخاصية الأكثر أهمية وتكاملا للمادة. إنها التفاعلات التي تضمن توحيد الأشياء المادية المختلفة للعالم الضخم والكلي والجزئي في أنظمة. كلها مشهورة العلم الحديثيتم تقليل القوى إلى أربعة أنواع من التفاعلات، والتي تسمى الأساسية: الجاذبية، الكهرومغناطيسية، الضعيفة والقوية.

تفاعل الجاذبيةأصبح لأول مرة موضوع دراسة الفيزياء في القرن السابع عشر. I. نظرية الجاذبية لنيوتن والتي تقوم على القانون الجاذبية العالمية، أصبح أحد المكونات الميكانيكا الكلاسيكية. ينص قانون الجاذبية العامة على أنه توجد بين جسمين قوة جاذبة تتناسب طرديا مع حاصل ضرب كتلتيهما وتتناسب عكسيا مع مربع المسافة بينهما (2.3). أي جسيم مادي هو مصدر لتأثير الجاذبية ويختبره على نفسه. ومع زيادة الكتلة، تزداد تفاعلات الجاذبية، أي أنه كلما زادت كتلة المواد المتفاعلة، زادت قوة قوى الجاذبية. قوى الجاذبية هي قوى الجذب. في الآونة الأخيرة، اقترح علماء الفيزياء وجود تنافر الجاذبية، الذي تصرف في اللحظات الأولى من وجود الكون (4.2)، ولكن لم يتم تأكيد هذه الفكرة بعد. تفاعل الجاذبية هو الأضعف المعروف حاليًا. قوة الجاذبية تعمل على جدا مسافات طويلة، وتقل كثافتها مع زيادة المسافة، ولكنها لا تختفي تمامًا. ويعتقد أن الناقل لتفاعل الجاذبية هو جسيم افتراضيجرافيتون. في العالم الصغير، لا يلعب تفاعل الجاذبية دورًا مهمًا، ولكنه يلعب دورًا رائدًا في العمليات الكلية وخاصة العمليات الضخمة.

التفاعل الكهرومغناطيسيأصبح موضوع الدراسة في الفيزياء في القرن التاسع عشر. أول نظرية موحدة للمجال الكهرومغناطيسي كانت مفهوم جي. ماكسويل (2.3). على عكس قوة الجاذبية، توجد التفاعلات الكهرومغناطيسية فقط بين الجسيمات المشحونة: المجال الكهربائي يحدث بين جسيمين مشحونين ثابتين، والمجال المغناطيسي يحدث بين جسيمتين مشحونتين متحركتين. يمكن أن تكون القوى الكهرومغناطيسية إما قوى جذابة أو تنافرية. الجسيمات المشحونة المحتملة تتنافر، والجسيمات المشحونة بشكل معاكس تتجاذب. حاملات هذا النوع من التفاعل هي الفوتونات. يتجلى التفاعل الكهرومغناطيسي في العوالم الصغيرة والكبيرة والضخمة.

في منتصف القرن العشرين. تم انشائه الديناميكا الكهربائية الكمية - نظرية التفاعل الكهرومغناطيسي المستوفية للمبادئ الأساسية نظرية الكموالنظرية النسبية. في عام 1965، حصل مؤلفوها S. Tomanaga و R. Feynman و J. Schwinger على جائزة نوبل. تصف الديناميكا الكهربائية الكمومية تفاعل الجسيمات المشحونة - الإلكترونات والبوزيترونات.

التفاعل ضعيفتم اكتشافه فقط في القرن العشرين، في الستينيات. وتم بناء نظرية عامة للتفاعل الضعيف. وترتبط القوة الضعيفة بتحلل الجزيئات، لذلك لم يتم اكتشافها إلا بعد اكتشاف النشاط الإشعاعي. عند ملاحظة التحلل الإشعاعي للجسيمات، تم اكتشاف ظواهر تبدو أنها تتعارض مع قانون الحفاظ على الطاقة. والحقيقة هي أنه خلال عملية الاضمحلال، "اختفى" جزء من الطاقة. اقترح الفيزيائي دبليو باولي أنه أثناء عملية التحلل الإشعاعي للمادة، يتم إطلاق جسيم ذو قوة اختراق عالية مع الإلكترون. وقد سُمي هذا الجسيم فيما بعد باسم "النيوترينو". اتضح أنه نتيجة للتفاعلات الضعيفة، تتحلل النيوترونات التي تشكل النواة الذرية إلى ثلاثة أنواع من الجسيمات: البروتونات موجبة الشحنة، والإلكترونات سالبة الشحنة، والنيوترينوات المحايدة. التفاعل الضعيف أصغر بكثير من التفاعل الكهرومغناطيسي، لكنه أكبر من تفاعل الجاذبية، وعلى عكسهما ينتشر على مسافات صغيرة - لا تزيد عن 10-22 سم. ولهذا السبب لم تتم ملاحظة التفاعل الضعيف تجريبياً لفترة طويلة. حاملات التفاعل الضعيف هي البوزونات.

في 1970s تم إنشاء نظرية عامة للتفاعل الكهرومغناطيسي والضعيف تسمى نظرية التفاعل الكهروضعيف.حصل مبدعوها S. Weinberg وA. Salam وS. Glashow على جائزة نوبل في عام 1979. تنظر نظرية التفاعل الكهروضعيف إلى نوعين من التفاعلات الأساسية كمظاهر لنوع واحد أعمق. وهكذا، على مسافات أكثر من 10-17 سم، يسود الجانب الكهرومغناطيسي للظواهر، على مسافات أصغر من بنفس الدرجةكل من الجوانب الكهرومغناطيسية والضعيفة مهمة. إن إنشاء النظرية قيد النظر يعني أن متحدين في الفيزياء الكلاسيكيةالقرن التاسع عشر، في إطار نظرية فاراداي-ماكسويل، الكهرباء والمغناطيسية والضوء في الثلث الأخير من القرن العشرين. تكملها ظاهرة التفاعل الضعيف.

تفاعل قويتم اكتشافه أيضًا فقط في القرن العشرين. فهو يحمل البروتونات في نواة الذرة، ويمنعها من التشتت تحت تأثير القوى التنافرية الكهرومغناطيسية. يحدث التفاعل القوي على مسافات لا تزيد عن 10-13 سم وهو المسؤول عن استقرار النوى. إن نوى العناصر الموجودة في نهاية الجدول الدوري غير مستقرة لأن نصف قطرها كبير، وبالتالي يفقد التفاعل القوي شدته. هذه النوى تخضع للتحلل، وهو ما يسمى المشعة. التفاعل القوي هو المسؤول عن تكوين النوى الذرية؛ وتشارك فيه الجسيمات الثقيلة فقط: البروتونات والنيوترونات. التفاعلات النوويةلا تعتمد على شحنة الجسيمات؛ فالجلونات هي حاملات لهذا النوع من التفاعل. يتم دمج الغلوونات في حقل غلوون (على غرار المجال الكهرومغناطيسي)، مما يؤدي إلى حدوث تفاعل قوي. في قوته، يفوق التفاعل القوي التفاعلات الأخرى المعروفة ويعتبر مصدرًا للطاقة الهائلة. مثال على التفاعل القوي هو التفاعلات النووية الحرارية في الشمس والنجوم الأخرى. تم استخدام مبدأ التفاعل القوي لصنع أسلحة هيدروجينية.

تسمى نظرية التفاعل القوي الديناميكا اللونية الكمومية.ووفقا لهذه النظرية فإن التفاعل القوي هو نتيجة لتبادل الجلونات، مما يؤدي إلى اتصال الكواركات في الهادرونات. تستمر الديناميكا اللونية الكمومية في التطور، وعلى الرغم من أنه لا يمكن حتى الآن اعتبارها مفهومًا كاملاً للتفاعل القوي، إلا أن هذه النظرية الفيزيائية لها أساس تجريبي متين.

في الفيزياء الحديثة يستمر البحث النظرية الموحدةوالتي من شأنها أن تجعل من الممكن شرح جميع الأنواع الأربعة من التفاعلات الأساسية. خلق نظرية مماثلةسيعني أيضًا بناء مفهوم موحد للجسيمات الأولية. وقد أطلق على هذا المشروع اسم "التوحيد العظيم". أساس الاعتقاد بإمكانية مثل هذه النظرية هو حقيقة أنه عند المسافات القصيرة (أقل من 10-29 سم) وعند الطاقات العالية (أكثر من 1014 جيجا إلكترون فولت) يتم وصف التفاعلات الكهرومغناطيسية القوية والضعيفة بنفس الطريقة، والتي يعني طبيعتهم المشتركة ومع ذلك، لا يزال هذا الاستنتاج نظريًا فقط، ولم يكن من الممكن التحقق منه تجريبيًا بعد.

العديد من النظريات الموحدة الكبرى المتنافسة تفسر علم الكونيات (4.2) بشكل مختلف. على سبيل المثال، من المفترض أنه في لحظة ولادة كوننا، كانت هناك ظروف ظهرت فيها التفاعلات الأساسية الأربعة بنفس الطريقة. إن إنشاء نظرية تشرح الأنواع الأربعة من التفاعلات على أساس موحد سيتطلب تجميعًا لنظرية الكواركات، والديناميكا اللونية الكمومية، وعلم الكونيات الحديث، وعلم الفلك النسبي.

ومع ذلك، فإن البحث عن نظرية موحدة لأربعة أنواع من التفاعلات الأساسية لا يعني أن ظهور تفسيرات أخرى للمادة أمر مستحيل: اكتشاف تفاعلات جديدة، والبحث عن جسيمات أولية جديدة، وما إلى ذلك. ويعرب بعض الفيزيائيين عن شكوكهم حول إمكانية ذلك. من النظرية الموحدة وهكذا، فإن مبدعي التآزر I. Prigogine و I. Stengers في كتاب "الوقت، الفوضى، الكم" يكتبون: "الأمل في بناء مثل هذه" نظرية كل شيء "، والتي يمكن استخلاص وصف كامل منها واقع جسدي"، سيتعين التخلي عنها"، وتبرير أطروحتهم بالقوانين المصاغة في إطار التآزر (7.2).

لعبت قوانين الحفظ دورًا مهمًا في فهم آليات تفاعل الجسيمات الأولية وتكوينها واضمحلالها. بالإضافة إلى قوانين الحفظ العاملة في العالم الصغير (قانون حفظ الطاقة، قانون حفظ الزخم وقانون حفظ الزخم الزاوي)، تم اكتشاف قوانين جديدة في فيزياء العالم الصغير: قانون حفظ الزخم الباريون، شحنات اللبتون، الغرابة، الخ.

يرتبط كل قانون حفظ بنوع من التناظر في العالم المحيط. في الفيزياء، يُفهم التناظر على أنه الثبات، أي ثبات النظام بالنسبة لتحولاته، أي بالنسبة للتغيرات في عدد من الظروف الفيزيائية. عالم الرياضيات الألمانيأنشأت إيما نويثر علاقة بين خصائص المكان والزمان وقوانين الحفظ في الفيزياء الكلاسيكية. تنص إحدى النظريات الأساسية في الفيزياء الرياضية، والتي تسمى نظرية نويثر، على أنه من تجانس الفضاء يتبع قانون الحفاظ على الزخم، ومن تجانس الزمن يتبع قانون حفظ الطاقة، ومن تجانس الفضاء يتبع قانون الحفاظ على الطاقة. يتبع الزخم الزاوي. هذه القوانين أساسية بطبيعتها وهي صالحة لجميع مستويات وجود المادة.

ينص قانون حفظ وتحول الطاقة على أن الطاقة لا تختفي ولا تظهر مرة أخرى، بل تنتقل من شكل إلى آخر فقط. يفترض قانون الحفاظ على الزخم وجود زخم ثابت لنظام مغلق مع مرور الوقت. ينص قانون الحفاظ على الزخم الزاوي على أن الزخم الزاوي لنظام الحلقة المغلقة يظل ثابتًا مع مرور الوقت. قوانين الحفظ هي نتيجة للتماثل، أي الثبات، أو ثبات بنية الأشياء المادية بالنسبة للتحولات، أو التغيرات في الظروف المادية لوجودها.

القدرة على التفاعل هي الخاصية الأكثر أهمية وتكاملا للمادة. إنها التفاعلات التي تضمن توحيد الأشياء المادية المختلفة للعالم الضخم والكلي والجزئي في أنظمة. تتلخص جميع القوى المعروفة في العلم الحديث في أربعة أنواع من التفاعلات، والتي تسمى الأساسية: الجاذبية، والكهرومغناطيسية، والضعيفة، والقوية.

تفاعل الجاذبيةأصبح لأول مرة موضوع دراسة الفيزياء في القرن السابع عشر. I. أصبحت نظرية نيوتن للجاذبية، والتي تعتمد على قانون الجاذبية العالمية، أحد مكونات الميكانيكا الكلاسيكية. أي جسيم مادي هو مصدر لتأثير الجاذبية ويختبره على نفسه. مع زيادة الكتلة، تزداد تفاعلات الجاذبية، أي. كلما زادت كتلة المواد المتفاعلة، زادت قوة الجاذبية. قوى الجاذبية هي قوى الجذب. تفاعل الجاذبية هو الأضعف المعروف حاليًا. تؤثر قوة الجاذبية على مسافات كبيرة جدًا؛ وتتناقص شدتها مع زيادة المسافة، ولكنها لا تختفي تمامًا. يُعتقد أن حامل تفاعل الجاذبية هو جسيم الجرافيتون الافتراضي. في العالم الصغير، لا يلعب تفاعل الجاذبية دورًا مهمًا، ولكنه يلعب دورًا رائدًا في العمليات الكلية وخاصة العمليات الضخمة.

التفاعل الكهرومغناطيسيأصبح موضوع الدراسة في الفيزياء في القرن التاسع عشر. كانت أول نظرية موحدة للمجال الكهرومغناطيسي هي مفهوم جي ماكسويل. توجد التفاعلات الكهرومغناطيسية فقط بين الجسيمات المشحونة: المجال الكهربائي يحدث بين جسيمين مشحونين ثابتين، والمجال المغناطيسي يحدث بين جسيمتين مشحونتين متحركتين. يمكن أن تكون القوى الكهرومغناطيسية إما قوى جذابة أو تنافرية. الجسيمات المشحونة المحتملة تتنافر، والجسيمات المشحونة بشكل معاكس تتجاذب. حاملات هذا النوع من التفاعل هي الفوتونات. يتجلى التفاعل الكهرومغناطيسي في العوالم الصغيرة والكبيرة والضخمة.

في منتصف القرن العشرين. تم انشائه الديناميكا الكهربائية الكمية– نظرية التفاعل الكهرومغناطيسي، التي تصف تفاعل الجسيمات المشحونة – الإلكترونات والبوزيترونات. في عام 1965، حصل مؤلفوها S. Tomanaga و R. Feynman و J. Schwinger على جائزة نوبل.

التفاعل ضعيفتم اكتشافه فقط في القرن العشرين، في الستينيات. وتم بناء نظرية عامة للتفاعل الضعيف. وترتبط القوة الضعيفة بتحلل الجزيئات، لذلك لم يتم اكتشافها إلا بعد اكتشاف النشاط الإشعاعي. اقترح الفيزيائي دبليو باولي أنه أثناء عملية التحلل الإشعاعي للمادة، يتم إطلاق جسيم ذو قوة اختراق عالية مع الإلكترون. وقد سُمي هذا الجسيم فيما بعد باسم "النيوترينو". اتضح أنه نتيجة للتفاعلات الضعيفة، تتحلل النيوترونات التي تشكل النواة الذرية إلى ثلاثة أنواع من الجسيمات: البروتونات موجبة الشحنة، والإلكترونات سالبة الشحنة، والنيوترينوات المحايدة. التفاعل الضعيف أصغر بكثير من التفاعل الكهرومغناطيسي، ولكنه أكبر من التفاعل الجاذبي، وعلى عكسهما، ينتشر على مسافات صغيرة - لا تزيد عن 10-22 سم، ولهذا السبب لم يتم ملاحظة التفاعل الضعيف تجريبيًا لفترة طويلة . حاملات التفاعل الضعيف هي البوزونات.

في السبعينيات القرن العشرين تم إنشاء نظرية عامة للتفاعل الكهرومغناطيسي والضعيف تسمى نظرية التفاعل الكهروضعيف.حصل المبدعون S. Weinberg و A. Sapam و S. Glashow على جائزة نوبل في عام 1979. تنظر نظرية التفاعل الكهروضعيف إلى نوعين من التفاعلات الأساسية كمظاهر لنوع واحد أعمق. وهكذا، على مسافات أكبر من 10-17 سم، يسود الجانب الكهرومغناطيسي للظواهر؛ وعلى مسافات أقصر، يكون كلا الجانبين الكهرومغناطيسي والضعيف على نفس القدر من الأهمية. إن إنشاء النظرية قيد النظر يعني أنه تم توحيد الفيزياء الكلاسيكية في القرن التاسع عشر، في إطار نظرية فاراداي-ماكسويل، والكهرباء والمغناطيسية والضوء، في الثلث الأخير من القرن العشرين. تكملها ظاهرة التفاعل الضعيف.

تفاعل قويتم اكتشافه أيضًا فقط في القرن العشرين. فهو يحمل البروتونات في نواة الذرة، ويمنعها من التشتت تحت تأثير القوى التنافرية الكهرومغناطيسية. يحدث التفاعل القوي على مسافات لا تزيد عن 10-13 سم وهو المسؤول عن استقرار النوى. حبات العناصر الموجودة في نهاية الجدول D.I. مندليف غير مستقر لأن نصف قطره كبير، وبالتالي يفقد التفاعل القوي شدته. هذه النوى تخضع للتحلل، وهو ما يسمى المشعة. التفاعل القوي هو المسؤول عن تكوين النوى الذرية؛ وتشارك فيه الجسيمات الثقيلة فقط: البروتونات والنيوترونات. التفاعلات النووية لا تعتمد على شحنة الجسيمات؛ حاملات هذا النوع من التفاعل هي الغلونات. يتم دمج الغلوونات في حقل غلوون (على غرار المجال الكهرومغناطيسي)، مما يؤدي إلى حدوث تفاعل قوي. في قوته، يفوق التفاعل القوي التفاعلات الأخرى المعروفة ويعتبر مصدرًا للطاقة الهائلة. مثال على التفاعل القوي هو التفاعلات النووية الحرارية في الشمس والنجوم الأخرى. تم استخدام مبدأ التفاعل القوي لصنع أسلحة هيدروجينية.

تسمى نظرية التفاعل القوي الديناميكا اللونية الكمومية.ووفقا لهذه النظرية فإن التفاعل القوي هو نتيجة لتبادل الجلونات، مما يؤدي إلى اتصال الكواركات في الهادرونات. تستمر الديناميكا اللونية الكمومية في التطور، ولا يمكن حتى الآن اعتبارها مفهومًا كاملاً للتفاعل القوي، ولكن لديها أساس تجريبي متين.

في الفيزياء الحديثة، يستمر البحث عن نظرية موحدة تشرح الأنواع الأربعة من التفاعلات الأساسية. إن إنشاء مثل هذه النظرية يعني أيضًا بناء مفهوم موحد للجسيمات الأولية. وقد أطلق على هذا المشروع اسم "التوحيد العظيم". أساس الاعتقاد بأن مثل هذه النظرية ممكنة هو حقيقة أنه عند المسافات القصيرة (أقل من 10-29 سم) وعند الطاقات العالية (أكثر من 10 14 جيجا إلكترون فولت)، يتم وصف التفاعلات الكهرومغناطيسية والقوية والضعيفة بنفس الطريقة مما يعني أن طبيعتها مشتركة. ومع ذلك، فإن هذا الاستنتاج نظري فقط، ولم يكن من الممكن التحقق منه تجريبيا بعد.

لعبت قوانين الحفظ دورًا مهمًا في فهم آليات تفاعل الجسيمات الأولية وتكوينها واضمحلالها. بالإضافة إلى قوانين الحفظ العاملة في العالم الصغير (قانون حفظ الطاقة، قانون حفظ الزخم وقانون حفظ الزخم الزاوي)، تم اكتشاف قوانين جديدة في فيزياء العالم الصغير: قانون حفظ الزخم شحنات الباريون واللبتون وما إلى ذلك.

في النصف الثاني من القرن العشرين، مع إنشاء مسرعات الجسيمات المشحونة، تم الحصول على نتائج مذهلة حقا في الفيزياء. تم اكتشاف العديد من الجسيمات دون الذرية الجديدة. عادة ما يتم اكتشاف الجسيمات الجديدة من خلال مراقبة تفاعلات التشتت للجسيمات المعروفة بالفعل. للقيام بذلك، تصطدم المسرعات بالجزيئات بأكبر قدر ممكن من الطاقة، ثم تدرس منتجات تفاعلها.

إن عالم الجسيمات دون الذرية متنوع حقًا. تمت إضافة العديد من الجسيمات الأخرى إلى الجسيمات المعروفة بالفعل والتي تُبنى منها الذرات والجزيئات (البروتونات والنيوترونات والإلكترونات): الميونات، والميزونات، والهايبرونات، والجسيمات المضادة، والجسيمات المحايدة المختلفة، وما إلى ذلك. ومن بين الجسيمات دون الذرية، تم اكتشاف جسيمات أيضًا في الأمر من حولنا لا يحدث عمليا أي رنين. مدة حياتهم هي أصغر أجزاء من الثانية. وبعد هذا الوقت القصير للغاية، تتحلل إلى جزيئات عادية.

في الخمسينيات والسبعينيات. لقد كان الفيزيائيون في حيرة تامة من عدد وتنوع وغرابة الجسيمات دون الذرية المكتشفة حديثًا. إذا كان في أواخر الأربعينيات. وبينما كان هناك 15 جسيمًا أوليًا معروفًا، كان هناك بالفعل حوالي 400 جسيم أولي في نهاية السبعينيات. ومن غير الواضح تمامًا سبب وجود هذا العدد الكبير من الجسيمات. هل الجسيمات الأولية عبارة عن أجزاء عشوائية من المادة، أو ربما هناك نظام ما مخفي وراء تفاعلاتها؟ لقد أظهر تطور الفيزياء في العقود اللاحقة أن عالم الجسيمات دون الذرية يتميز بنظام بنيوي عميق. يعتمد هذا الترتيب على التفاعلات الجسدية الأساسية.

10.1. التفاعلات الجسدية الأساسية

10.1.1. مفهوم التفاعل الجسدي الأساسي.

في الحياة اليوميةيواجه الإنسان العديد من القوى المؤثرة على الجثث: قوة الرياح أو تدفق المياه؛ ضغط جوي؛ انفجار قوي من المتفجرات المواد الكيميائية; القوة العضلية للإنسان وزن الأشياء ضغط الكمات الخفيفة. جذب وتنافر الشحنات الكهربائية. موجات زلزالية، تسبب أحيانًا دمارًا كارثيًا؛ الانفجارات البركانية التي أدت إلى موت الحضارات

الأمور، الخ. تعمل بعض القوى بشكل مباشر عند الاتصال بالجسم، بينما تعمل قوى أخرى، مثل الجاذبية، على مسافة عبر الفضاء. ولكن، كما اتضح نتيجة لتطور العلوم الطبيعية، على الرغم من هذا التنوع الكبير، يمكن اختزال جميع القوى العاملة في الطبيعة إلى أربعة تفاعلات أساسية.

ومن أجل زيادة الكثافة، يتم تمثيل هذه التفاعلات الأساسية بالطريقة الآتية: تفاعل الجاذبية؛ تفاعل ضعيف التفاعل الكهرومغناطيسي تفاعل قوي. هذه التفاعلات هي المسؤولة في نهاية المطاف عن جميع التغيرات في الطبيعة؛ فهي مصدر جميع التحولات في الهيئات والعمليات المادية. ولكل تفاعل من التفاعلات الأربعة الأساسية أوجه تشابه مع التفاعلات الثلاثة الأخرى وفي نفس الوقت اختلافاته.

بادئ ذي بدء، ينبغي أن نتحدث عن ما هو مشترك بين هذه التفاعلات الأساسية. بمعنى آخر: كيف تفهم الفيزياء الحديثة جوهر التفاعل؟ كما لوحظ بالفعل، مرة أخرى في منتصف القرن التاسع عشر. ومع ظهور نظرية المجال الكهرومغناطيسي، أصبح من الواضح أن انتقال التفاعل لا يحدث على الفور (مبدأ الفعل بعيد المدى)، ولكن بسرعة محدودة من خلال وسيط ما - وهو مجال موزع بشكل مستمر في الفضاء (مبدأ الفعل بعيد المدى). مبدأ العمل قصير المدى). وسرعة انتشار المجال الكهرومغناطيسي تساوي سرعة الضوء (انظر 8.1.4).

ومع ذلك، بالفعل في الربع الأول من القرن العشرين، مع ظهور ميكانيكا الكم، تعمق فهم المجال المادي بشكل كبير. في ضوء ازدواجية الموجة الكمومية، فإن أي مجال ليس مستمرًا، ولكن له بنية منفصلة؛ على سبيل المثال، كوانتا المجال الكهرومغناطيسي هي الفوتونات. عندما تتبادل الجسيمات المشحونة الفوتونات مع بعضها البعض، يؤدي ذلك إلى ظهور مجال كهرومغناطيسي. الفوتونات هي حاملات للتفاعل الكهرومغناطيسي.

وبالمثل، فإن الأنواع الأخرى من التفاعلات الأساسية لها مجالاتها الخاصة والجسيمات المقابلة لها التي تحمل هذا التفاعل الميداني. إن دراسة الخصائص المحددة وأنماط هذه المجالات والجزيئات - حاملات التفاعلات الأساسية - هي المهمة الرئيسية الفيزياء الحديثة.

10.1.2. جاذبية.

كانت الجاذبية أول القوى الأساسية الأربع التي أصبحت موضوع البحث العلمي. تم إنشاؤها في القرن السابع عشر. أتاحت نظرية نيوتن للجاذبية (قانون الجذب العام) لأول مرة فهم الدور الحقيقي للجاذبية كقوة من قوى الطبيعة (انظر 6.4.1). النظرية النسبية للجاذبية هي النسبية العامة، والتي تتحول في منطقة مجالات الجاذبية الضعيفة إلى نظرية نيوتن في الجاذبية.

تتمتع الجاذبية بعدد من الميزات التي تميزها بشكل حاد عن التفاعلات الأساسية الأخرى. الميزة الأكثر إثارة للدهشة في الجاذبية هي كثافتها المنخفضة. تفاعل الجاذبية أقل بـ 1039 مرة من قوة تفاعل الشحنات الكهربائية. ولذلك، فإنه عادة لا يؤخذ بعين الاعتبار عند وصف تفاعلات الجسيمات الأولية. في العالم الصغير، الجاذبية لا تذكر.

1 إذا تم تحديد أبعاد ذرة الهيدروجين عن طريق الجاذبية، وليس عن طريق التفاعل بين الشحنات الكهربائية، فإن نصف قطر مدار الإلكترون الأدنى (الأقرب إلى النواة) سيتجاوز نصف قطر الجزء المرئي من الكون.

كيف يمكن لهذه القوة الضعيفة أن تصبح القوة المهيمنة في الكون؟ الأمر كله يتعلق بالميزة الثانية المذهلة للجاذبية - عالميتها. لا شيء في الكون يمكنه الإفلات من الجاذبية. يتعرض كل جسيم لتأثير الجاذبية وهو في حد ذاته مصدر للجاذبية، مما يسبب جاذبية الجاذبية. تزداد الجاذبية مع تشكل تراكمات أكبر وأكبر للمادة. وعلى الرغم من أن جاذبية ذرة واحدة لا تذكر، فإن قوة الجذب الناتجة من جميع الذرات يمكن أن تكون كبيرة. يتجلى هذا أيضًا في الحياة اليومية: نشعر بالجاذبية لأن كل ذرات الأرض معًا تجذبنا.

بالإضافة إلى ذلك، الجاذبية هي قوة طويلة المدى من الطبيعة. وهذا يعني أنه على الرغم من أن شدة تفاعل الجاذبية تتناقص مع المسافة، إلا أنها تنتشر في الفضاء ويمكن أن تؤثر على الأجسام البعيدة جدًا عن المصدر. على المستوى الفلكي، تميل تفاعلات الجاذبية إلى لعب دور رئيسي. بفضل العمل بعيد المدى، تمنع الجاذبية الكون من الانهيار: فهي تحمل الكواكب في مداراتها، والنجوم في المجرات، والمجرات في مجموعات، والمجموعات في Metagalaxy.

إن قوة الجاذبية المؤثرة بين الجسيمات هي دائمًا قوة تجاذبية: فهي تميل إلى تقريب الجسيمات من بعضها البعض. لم يتم ملاحظة تنافر الجاذبية من قبل.

1 على الرغم من وجود مجال كامل في تقاليد الأساطير شبه العلمية يسمى الارتفاع - البحث عن "الحقائق" المتعلقة بمضادات الجاذبية.

من الصعب جدًا تطوير أفكار حول تكميم الجاذبية. ومع ذلك، وفقا للمفاهيم النظرية والفيزيائية العامة، يجب أن يطيع تفاعل الجاذبية قوانين الكمتماما مثل الكهرومغناطيسية. (وإلا ستنشأ تناقضات متعددة في أسس الفيزياء الحديثة، بما في ذلك تلك المتعلقة بمبدأ عدم اليقين، وما إلى ذلك). في هذه الحالة، يجب أن يتوافق تفاعل الجاذبية مع مجال ذو كم جاذبية - الجرافيتون (جسيم محايد بدون راحة). الكتلة وتدور 2). تؤدي الجاذبية الكمومية إلى ظهور فكرة الخصائص المنفصلة للزمكان، ومفاهيم الطول الأولي، الكم المكاني r ≈ 10-33 سم، والفاصل الزمني الأولي، الكم الزمني t ≈ 10-43 ث. لم يتم بعد إنشاء نظرية كمومية ثابتة للجاذبية.

ولسوء الحظ، فإن إمكانيات فيزياء الجاذبية وعلم الفلك التجريبي الحديث لا تسمح لنا بالكشف التأثيرات الكموميةالجاذبية بسبب ضعفها الشديد. ومع ذلك، فإن الظواهر التي تتجلى فيها الخصائص الكمومية للجاذبية موجودة على ما يبدو. إنها تظهر في مجالات جاذبية قوية جدًا، حيث تحدث العمليات الكمومية لتكوين الجسيمات (نقطة التفرد، اللحظات الأوليةأصل الكون، انهيار الجاذبية، الثقوب السوداء (انظر 11.4 و11.7)).

10.1.3. الكهرومغناطيسية.

القوى الكهربائية أكبر بكثير من قوى الجاذبية، لذلك، على عكس تفاعل الجاذبية الضعيف، يمكن بسهولة ملاحظة القوى الكهربائية المؤثرة بين الأجسام ذات الحجم الطبيعي. لقد عرف الناس الكهرومغناطيسية منذ زمن سحيق ( الشفق، ومضات البرق، وما إلى ذلك). ولكن لفترة طويلة، تمت دراسة الظواهر الكهربائية والمغناطيسية بشكل مستقل عن بعضها البعض. وفقط في منتصف القرن التاسع عشر. قام جي سي ماكسويل بدمج تعاليم الكهرباء والمغناطيسية في نظرية موحدة للكهرومغناطيسية

لا مجال. وقد ثبت وجود الإلكترون (وحدة الشحنة الكهربائية) بشكل راسخ في تسعينيات القرن التاسع عشر. ولكن ليست كل الجسيمات الأولية حاملة للشحنة الكهربائية. محايدة كهربائيا، على سبيل المثال، الفوتون والنيوترينو. هكذا تختلف الكهرباء عن الجاذبية. جميع جزيئات المواد تخلق مجال جاذبية، بينما مع الكهرباء حقل مغناطيسيفقط الجسيمات المشحونة مرتبطة.

مثل الشحنات الكهربائية، مثل الأقطاب المغناطيسية تتنافر، والأقطاب المعاكسة تتجاذب. ولكن على عكس الشحنات الكهربائية، فإن الأقطاب المغناطيسية لا تحدث بشكل فردي، ولكن فقط في أزواج - القطب الشمالي والقطب الجنوبي. منذ العصور القديمة، عُرفت محاولات الحصول على قطب مغناطيسي واحد معزول، عن طريق تقسيم المغناطيس، وهو أحادي القطب. لكنهم جميعا انتهىوا بالفشل. ربما يتم استبعاد وجود أقطاب مغناطيسية معزولة في الطبيعة؟ لا توجد إجابة محددة على هذا السؤال حتى الآن. تسمح بعض النظريات الحديثة بإمكانية وجود أحادي القطب المغناطيسي (انظر 10.3.5).

لا يمكن فصل المجال الكهرومغناطيسي للجسيمات المشحونة الثابتة أو المتحركة بشكل موحد عن هذه الجسيمات. لكن عندما حركة متسارعةالجسيمات، فإن المجال الكهرومغناطيسي "ينفصل" عنها ويشارك في شكل مستقل موجات كهرومغناطيسية. في هذه الحالة، موجات الراديو (103-1012 هرتز)، الأشعة تحت الحمراء(1012 - 3.7 1014 هرتز)، الضوء المرئي (3.7 1014 - 7.5 1014 هرتز)، الأشعة فوق البنفسجية (7.5 1014 - 3 1017 هرتز)، الأشعة السينية (3 1017 - 3 1020 هرتز) وأشعة جاما (3 102-) 1023 هرتز) عبارة عن موجات كهرومغناطيسية ذات ترددات مختلفة. علاوة على ذلك، لا توجد حدود حادة بين النطاقات المتجاورة (يرتبط طول الموجة الكهرومغناطيسية وترددها بالعلاقة:  = c/v، حيث  هو طول الموجة، v هو التردد، c هي سرعة الضوء) .

التفاعل الكهرومغناطيسي (مثل الجاذبية) بعيد المدى ويمكن ملاحظته على مسافات كبيرة من المصدر. مثل الجاذبية، فإنه يطيع القانون المربعات العكسية. يتجلى التفاعل الكهرومغناطيسي على جميع مستويات المادة - في العالم الكبير والعالم الكبير والعالم الصغير.

يمتد المجال الكهرومغناطيسي للأرض بعيدًا إلى الفضاء الخارجي، ويملأ حقل الشمس القوي النظام الشمسي بأكمله؛ هناك أيضًا مجالات كهرومغناطيسية مجرية. وفي الوقت نفسه، يحدد التفاعل الكهرومغناطيسي بنية الذرات والجزيئات (النواة موجبة الشحنة والإلكترونات سالبة الشحنة). وهي مسؤولة عن الغالبية العظمى من الظواهر والعمليات الفيزيائية والكيميائية (باستثناء الظواهر النووية): القوى المرنة، والاحتكاك، والتوتر السطحي، وتحدد الخواص. حالات التجميعالمواد، التحولات الكيميائية، الظواهر البصريةوظواهر التأين والعديد من التفاعلات في عالم الجسيمات الأولية وغيرها.

10.1.4. التفاعل ضعيف .

لقد تحركت الفيزياء ببطء نحو تحديد وجود التفاعل الضعيف. التفاعل الضعيف هو المسؤول عن اضمحلال الجسيمات. لذلك، تمت مصادفة ظهوره أثناء اكتشاف النشاط الإشعاعي ودراسة اضمحلال بيتا (انظر 8.1.5).

تم العثور على اضمحلال بيتا بدرجة عالية ميزة غريبة. يبدو أنه في هذا الاضمحلال، تم انتهاك قانون الحفاظ على الطاقة، اختفى جزء من الطاقة في مكان ما. من أجل "حفظ" قانون الحفاظ على الطاقة، اقترح دبليو. باولي أنه أثناء اضمحلال بيتا، يطير جسيم آخر مع الإلكترون، آخذًا معه الطاقة المفقودة. وهو محايد وله قدرة اختراق عالية بشكل غير عادي، ونتيجة لذلك لا يمكن ملاحظته. أطلق إي. فيرمي على الجسيم غير المرئي اسم "النيوترينو".

لكن التنبؤ بالنيوترينوات ليس سوى بداية المشكلة، وصياغتها. وكان من الضروري شرح طبيعة النيوترينوات؛ وبقي هناك الكثير من الغموض هنا. والحقيقة هي أن الإلكترونات والنيوترينوات تنبعث من نوى غير مستقرة، ولكن كان من المعروف أنه لا توجد مثل هذه الجزيئات داخل النوى. كيف نشأت؟ اتضح أن النيوترونات الموجودة في النواة تُركت لأجهزتها الخاصة، بعد بضع دقائق تتحلل إلى بروتون وإلكترون ونيوترينو. ما هي القوى التي تسبب هذا التفكك؟ أظهر التحليل أن القوى المعروفة لا يمكن أن تسبب مثل هذا التفكك. ويبدو أنه تم توليدها بواسطة قوة أخرى غير معروفة، والتي تتوافق مع بعض "التفاعل الضعيف".

التفاعل الضعيف أصغر بكثير من جميع التفاعلات باستثناء تفاعل الجاذبية. وحيثما يتواجد فإن تأثيراته تطغى عليها التفاعلات الكهرومغناطيسية والقوية. بالإضافة إلى ذلك فإن التفاعل الضعيف يمتد إلى مسافات صغيرة جداً. نصف قطر الضعيف

التفاعل صغير جداً (10-16 سم). لذلك، لا يمكن أن تؤثر ليس فقط على الأجسام العيانية، بل حتى على الأجسام الذرية وتقتصر على الجسيمات دون الذرية. بالإضافة إلى ذلك، بالمقارنة مع التفاعلات الكهرومغناطيسية والقوية، فإن التفاعل الضعيف يكون بطيئًا للغاية.

عندما بدأ الاكتشاف الشبيه بالانهيار الجليدي للعديد من الجسيمات دون النووية غير المستقرة، تم اكتشاف أن معظمها يشارك في تفاعلات ضعيفة. يلعب التفاعل الضعيف دورًا مهمًا جدًا في الطبيعة. وهو جزء لا يتجزأ من التفاعلات النووية الحرارية في الشمس والنجوم، مما يوفر تخليق النجوم النابضة والانفجارات المستعرات الأعظم، تركيب العناصر الكيميائية في النجوم، الخ.

تم إنشاء نظرية التفاعل الضعيف في أواخر الستينيات. (انظر 10.3.3). كان إنشاء هذه النظرية خطوة كبيرة نحو وحدة الفيزياء.

10.1.5. تفاعل قوي .

وآخر التفاعلات في سلسلة التفاعلات الأساسية هو التفاعل القوي، وهو مصدر طاقة هائلة. المثال الأكثر شيوعًا للطاقة المنطلقة تفاعل قوي، - شمس. في أعماق الشمس والنجوم تحدث بشكل مستمر تفاعلات نووية حرارية ناجمة عن تفاعل قوي (مع مشاركة كبيرة للتفاعل الضعيف). لكن الإنسان تعلم أيضًا أن يسبب تفاعلًا قويًا: أن يُخلق قنبلة هيدروجينيةوقد تم تصميم وتحسين تقنيات التفاعل النووي الحراري.

توصلت الفيزياء إلى فكرة وجود تفاعل قوي أثناء دراسة بنية النواة الذرية. يجب أن تعمل بعض القوة على احتجاز البروتونات ذات الشحنة الموجبة في النواة، مما يمنعها من الطيران بعيدًا تحت تأثير التنافر الكهروستاتيكي. الجاذبية أضعف من أن توفر هذا؛ من الواضح أن هناك نوعًا ما من التفاعل ضروري، وهو أقوى من التفاعل الكهرومغناطيسي. وقد تم اكتشافه فيما بعد وأطلق عليه اسم "التفاعل القوي".

وتبين أنه على الرغم من أن التفاعل القوي يتجاوز بشكل كبير جميع التفاعلات الأساسية الأخرى في حجمه، إلا أنه لا يتم الشعور به خارج النواة. يتجلى التفاعل القوي على مسافة تحددها المسافة

التدابير الأساسية، أي حوالي 10-13 سم. الوظيفة الأساسيةالتفاعل القوي في الطبيعة - إنشاء روابط قوية بين النيوكليونات (البروتونات والخلايا العصبية) في نوى الذرات. وفي هذه الحالة يؤدي اصطدام النوى أو النيوكليونات ذات الطاقات العالية إلى حدوث تنوع التفاعلات النوويةبما في ذلك ردود الفعل الاندماج النووي الحراريعلى الشمس، وهي المصدر الرئيسي للطاقة على الأرض.

وفي الوقت نفسه، اتضح أنه ليس كل الجزيئات تواجه تفاعلًا قويًا. وهكذا تتعرض لها البروتونات والنيوترونات، لكن الإلكترونات والنيوترينوات والفوتونات لا تخضع لها. عادةً ما تشارك الجسيمات الثقيلة فقط في التفاعلات القوية.

كان من الصعب تطوير التفسير النظري لطبيعة التفاعل القوي. لم يظهر الاختراق إلا في أوائل الستينيات، عندما تم اقتراح نموذج الكوارك. في هذه النظرية، لا تعتبر النيوترونات والبروتونات جسيمات أولية، بل أنظمة مركبة مبنية من الكواركات (انظر 10.3.2).

وهكذا، في التفاعلات الفيزيائية الأساسية، يكون الفرق بين القوى طويلة المدى وقصيرة المدى واضحًا للعيان. من ناحية، تفاعلات نصف قطرها غير محدود (الجاذبية والكهرومغناطيسية)، ومن ناحية أخرى، نصف قطر صغير (قوي وضعيف). ينكشف عالم العمليات الفيزيائية داخل حدود هذين القطبين ويجسد وحدة الصغير للغاية والكبير للغاية - العالم الصغير والعالم الكبير، الجسيمات الأوليةوالكون كله.

10.1.6. مشكلة وحدة الفيزياء.

المعرفة هي تعميم للواقع، وبالتالي فإن هدف العلم هو البحث عن الوحدة في الطبيعة، وربط أجزاء المعرفة المتباينة في صورة واحدة. من أجل إنشاء مثل هذا نظام موحد، تحتاج إلى فتح العميق رابط الإتصالبين الصناعات المختلفةمعرفة. يعد العثور على مثل هذه الروابط إحدى المهام الرئيسية للبحث العلمي. كلما كان من الممكن إنشاء مثل هذه الروابط الجديدة، فإن فهم العالم المحيط يتعمق بشكل كبير، ويتم تشكيل طرق جديدة للمعرفة تشير إلى الطريق إلى ظواهر غير معروفة سابقًا.

إن إنشاء روابط عميقة بين مناطق مختلفة من الطبيعة هو مزيج من المعرفة والخبرة أسلوب جديد، توجيه بحث علميعلى الطرق غير المهزومة. وهكذا فإن تحديد نيوتن للعلاقة بين انجذاب الأجسام في الظروف الأرضية وحركة الكواكب كان بمثابة ميلاد الميكانيكا الكلاسيكية، التي على أساسها تم بناء الأساس التكنولوجي للحضارة الحديثة. إن إنشاء علاقة بين الخواص الديناميكية الحرارية للغاز والحركة الفوضوية للجزيئات يضع النظرية الذرية الجزيئية للمادة على أساس متين. في منتصف القرن الماضي، أنشأ ماكسويل أغنية واحدة النظرية الكهرومغناطيسية، ويغطي كلا من الظواهر الكهربائية والمغناطيسية. ثم في العشرينيات. حاول أينشتاين الجمع بين الكهرومغناطيسية والجاذبية في نظرية واحدة.

ولكن بحلول منتصف القرن العشرين. لقد تغير الوضع في الفيزياء بشكل جذري: تم اكتشاف تفاعلين أساسيين جديدين - القوي والضعيف. أثناء الإنشاء الفيزياء الموحدةلم يعد علينا أن نحسب حسابًا لتفاعلين اثنين، بل لأربعة تفاعلات أساسية. أدى هذا إلى تبريد حماسة أولئك الذين كانوا يأملون في حل سريع لمشكلة وحدة الفيزياء إلى حد ما. ومع ذلك، فإن الخطة نفسها لم يتم التشكيك فيها بجدية.

في الفيزياء النظرية الحديثة، وجهة النظر السائدة هي أن التفاعلات الأربعة (أو الثلاثة على الأقل) هي ظواهر ذات طبيعة واحدة ويمكن العثور على طبيعتها الموحدة الوصف النظري. إن احتمال إنشاء نظرية موحدة لعالم العناصر الفيزيائية (على أساس تفاعل أساسي واحد) هو المثل الأعلى للفيزياء الحديثة. هذا الحلم الرئيسيالفيزيائيون. ولكن لفترة طويلة ظل مجرد حلم، وغامض للغاية.

ومع ذلك، في النصف الثاني من القرن العشرين. كانت هناك شروط مسبقة لتحقيق الحلم والثقة في أن هذا لم يكن بأي حال من الأحوال مسألة المستقبل البعيد. ويبدو أنه يمكن أن يصبح حقيقة قريبا. تم اتخاذ الخطوة الحاسمة نحو نظرية موحدة في الستينيات والسبعينيات. مع إنشاء نظرية الكواركات أولاً، ومن ثم نظرية التفاعل الكهروضعيف. وهناك من الأسباب ما يجعلنا نعتقد أننا على عتبة اتحاد أقوى وأعمق من أي وقت مضى. هناك اعتقاد متزايد بين علماء الفيزياء بأن ملامح النظرية الموحدة للتفاعلات القوية والضعيفة والكهرومغناطيسية - التوحيد الكبير - بدأت في الظهور. وقريبًا توجد نظرية موحدة لجميع التفاعلات الأساسية - الجاذبية الفائقة.

10.2. تصنيف الجسيمات الأولية

10.2.1. خصائص الجسيمات دون الذرية.

في القرن العشرين، وخاصة في النصف الثاني، تم اكتشاف طبقة عميقة جديدة من التنظيم الهيكلي للمادة - عالم الجزيئات الأولية. لكن هذا الاسم ليس دقيقا. تحت الجسيمات الأولية في القيمة الدقيقةفهم كذلك "لبنات البناء" غير القابلة للتحلل للمادة التي تشكل تنظيمها الهيكلي. في الواقع، تبين أن معظم الجسيمات المكتشفة عبارة عن تكوينات نظامية تتكون من جسيمات أولية أكثر. لذلك، من الأصح أن نقول إن "عالم الجسيمات الأولية هو مستوى خاص من تنظيم المادة - المادة تحت النووية، التي يتم من خلالها تنظيم نوى وذرات المادة والمجالات الفيزيائية. ولكن بما أن مصطلح "الجسيمات الأولية" ثابت ومستخدم على نطاق واسع، فسوف نستخدمه بمعنى "المادة تحت النووية".

أظهرت دراسة الجسيمات الأولية أنها تولد وتدمر عند تفاعلها مع الجسيمات الأولية الأخرى. وبالإضافة إلى ذلك، فإنها يمكن أن تتفكك تلقائيا. كل هذه التحولات للجسيمات (الاضمحلال والولادة والتدمير) تتحقق من خلال عمليات امتصاص وانبعاث الجسيمات المتعاقبة.

خصائص الجسيمات الأولية متنوعة. وهكذا فإن كل جسيم له جسيم مضاد خاص به، لا يختلف عنه إلا في إشارة شحنته. بالنسبة للجسيمات ذات القيم الصفرية لجميع الشحنات، يتطابق الجسيم المضاد مع الجسيم (على سبيل المثال، الفوتون). يتميز كل جسيم أولي بمجموعته الخاصة من القيم لكميات فيزيائية معينة. وتشمل هذه الكميات: الكتلة، الشحنة الكهربائية، الدوران، عمر الجسيمات، لحظة جاذبة، التكافؤ المكاني، شحنة ليبتون، شحنة الباريون، الخ.

الخصائص العامة لجميع الجسيمات: الكتلة، العمر، الدوران. عندما يتحدثون عن كتلة الجسيم، فإنهم يقصدون كتلته الساكنة، لأنها لا تعتمد على حالة الحركة. يتحرك جسيم ذو كتلة سكون صفر بسرعة الضوء (الفوتون). لا يوجد جسيمان لهما نفس الكتلة. الإلكترون هو أخف جسيم له كتلة سكون غير الصفر. البروتون والنيوترون أثقل بحوالي 2000 مرة من الإلكترون. وأثقل جسيم أولي يتم إنتاجه في المسرعات (بوزون Z) له كتلة أكبر بـ 200 ألف مرة من كتلة الإلكترون.

السمة المهمة للجسيم هي الدوران - الزخم الزاوي للجسيم. وهكذا، فإن البروتون والنيوترون والإلكترون لها دوران قدره 1/2، ودوران الفوتون هو 1. ومن المعروف أن الجسيمات ذات الدوران 0.3/2.2. يبدو الجسيم ذو الدوران 0 كما هو عند أي زاوية دوران. يأخذ الجسيم ذو الدوران 1 نفس الشكل بعد دوران كامل قدره 360 درجة. يأخذ الجسيم ذو الدوران 1/2 مظهره السابق بعد دوران قدره 720 درجة، وما إلى ذلك. يعود الجسيم ذو الدوران 2 (الجرافيتون الافتراضي) إلى موضعه السابق بعد نصف دورة (180 درجة). اعتمادًا على الدوران، تنقسم جميع الجسيمات إلى مجموعتين: البوزونات - جسيمات ذات عدد صحيح يدور 0 و1 و2؛ الفرميونات هي جسيمات ذات عدد دوران نصف صحيح (1/2، 3/2). الجسيمات ذات الدوران الأكبر من 2 قد لا تكون موجودة على الإطلاق.

وتتميز الجزيئات أيضًا بعمرها. وبناء على هذا المعيار تنقسم الجسيمات إلى مستقرة وغير مستقرة. الجسيمات المستقرة هي الإلكترون والبروتون والفوتون والنيوترينو. (لم يتم حل مسألة استقرار البروتون بشكل كامل بعد. فمن الممكن أنه يضمحل خلال t = 1031 سنة.) يكون النيوترون مستقرًا عندما يكون في نواة الذرة، لكن النيوترون الحر يضمحل خلال حوالي 1031 سنة. 15 دقيقة. جميع الجسيمات الأخرى المعروفة غير مستقرة. يتراوح عمرها من بضعة ميكروثانية إلى 10-24 ثانية. أكثر الجسيمات غير المستقرة هي الرنين. مدة حياتهم هي 10-22—10-24 ثانية.

تلعب قوانين الحفظ دورًا رئيسيًا في فيزياء الجسيمات الأولية، والتي تحدد المساواة بين مجموعات معينة من الكميات التي تميز الحالات الأولية والنهائية للنظام. إن ترسانة قوانين الحفظ في فيزياء الكم أكبر مما هي عليه في الفيزياء الكلاسيكية. تم تجديده بقوانين الحفاظ على التكافؤات المختلفة (المكانية، والتهمة)، والشحنات (لبتونيك، باريون، وما إلى ذلك)، والتماثلات الداخلية المميزة لنوع أو آخر من التفاعل. علاوة على ذلك، كلما كان التفاعل أكثر كثافة، كلما زادت قوانين الحفظ التي يتوافق معها، أي. علاوة على ذلك، فهو متماثل. في فيزياء الكم، قوانين الحفظ هي دائمًا قوانين الحظر. ولكن إذا سمحت قوانين الحفظ ببعض العمليات، فإنها تحدث بالضرورة في الواقع.

إن ذروة تطور الأفكار حول قوانين الحفظ في فيزياء الكم هو مفهوم كسر التناظر التلقائي، أي. وجود حلول مستقرة غير متماثلة لأنواع معينة من المشاكل. في 1960s ما يسمى بانتهاك مجتمعة

وضوح. بمعنى آخر، تم اكتشاف أنه في العالم المصغر هناك اختلافات مطلقة بين الجسيمات والجسيمات المضادة، بين "اليمين" و"اليسار"، بين الماضي والمستقبل (سهم الزمن، أو اللارجعة، للعمليات الدقيقة، وليس فقط العمليات الكبيرة). ).

يعد عزل ومعرفة خصائص الجسيمات دون الذرية الفردية أمرًا مهمًا، ولكنه مجرد مرحلة أولية لفهم عالمها. في المرحلة التالية، ما زلنا بحاجة إلى فهم دور كل جسيم على حدة، وما هي وظائفه في بنية المادة.

لقد وجد الفيزيائيون أن خصائص الجسيم، أولاً وقبل كل شيء، تتحدد من خلال قدرته (أو عدم قدرته) على المشاركة في تفاعلات قوية. تشكل الجسيمات المشاركة في التفاعلات القوية فئة خاصة تسمى الهادرونات. الجسيمات التي تشارك بشكل رئيسي في التفاعلات الضعيفة ولا تشارك في التفاعلات القوية تسمى اللبتونات. بالإضافة إلى ذلك، هناك جزيئات حاملة للتفاعلات.

دعونا ننظر في خصائص هذه الأنواع الرئيسية من الجسيمات.

10.2.2. اللبتونات.

تتصرف اللبتونات مثل الأجسام النقطية، ولا تظهر أي بنية داخلية حتى في الطاقات العالية جدًا. يبدو أنها كائنات أولية (بالمعنى الصحيح للكلمة)، أي. فهي ليست مصنوعة من أي جزيئات أخرى. على الرغم من أن اللبتونات قد تحتوي أو لا تحتوي على شحنة كهربائية، إلا أن جميعها لها دوران قدره 1/2.

ومن بين اللبتونات أشهرها الإلكترون. الإلكترون هو أول جسيم أولي تم اكتشافه. الإلكترون هو حامل أصغر كتلة وأصغر شحنة كهربائية (باستثناء الكواركات) في الطبيعة.

لبتون آخر معروف هو النيوترينو. النيوترينوات، إلى جانب الفوتونات، هي الجسيمات الأكثر شيوعًا في الكون. يمكن تصور الكون على أنه محيط لا حدود له من الفوتون والنيوترينو، حيث توجد أحيانًا جزر من الذرات. ولكن على الرغم من انتشار النيوترينوات، إلا أن دراستها صعبة للغاية. وكما أشرنا سابقًا، فإن النيوترينوات تكاد تكون بعيدة المنال ولها قوة اختراق هائلة، خاصة عند الطاقات المنخفضة. وبدون المشاركة في التفاعلات القوية أو الكهرومغناطيسية، فإنهم يخترقون المادة وكأنها غير موجودة على الإطلاق. النيوترينوات هي نوع من "الأشباح" العالم المادي. من ناحية، يؤدي هذا إلى تعقيد اكتشافها، ومن ناحية أخرى، فإنه يخلق الفرصة لدراسة البنية الداخلية للنجوم، والنوى المجرية، والكوازارات، وما إلى ذلك.

إحدى الصفحات المثيرة للاهتمام في تاريخ دراسة النيوترينوات تتعلق بمسألة كتلتها: ما إذا كان للنيوترينو كتلة سكون أم لا. تسمح النظرية بأنه، على عكس الفوتون، يمكن للنيوترينو أن يمتلك كتلة سكون صغيرة. إذا كان للنيوترينو كتلة سكون حقًا (تقدر بـ 0.1 فولت إلى 10 فولت)، فإن هذا يستلزم عواقب أساسية في نظرية التوحيد الكبير، وعلم الكونيات، والفيزياء الفلكية. يبدو أن "مطاردة" الفيزيائيين للحصول على كتلة جسيم بعيد المنال، والتي استمرت منذ ما يقرب من 60 عامًا، قد وصلت إلى نهايتها. هناك سبب للاعتقاد بأن المشكلة سيتم حلها أخيرًا في منشآت تجريبية جديدة (اليابان وإيطاليا) في السنوات القادمة.

الميونات منتشرة على نطاق واسع في الطبيعة، وتمثل جزءًا كبيرًا من الإشعاع الكوني. الميون هو واحد من أول الجسيمات دون الذرية المعروفة غير المستقرة، التي تم اكتشافها في عام 1936. في جميع النواحي، يشبه الميون الإلكترون: له نفس الشحنة والدوران، ويشارك في نفس التفاعلات، ولكن لديه كتلة أكبر وغير مستقر. وفي حوالي جزء من مليونين من الثانية، يضمحل الميون إلى إلكترون ونيوترينوين. تتفاعل الميونات، التي تخترق المادة، مع نوى الذرات وإلكتروناتها وتشكل مركبات غير عادية. يشكل الميون الموجب، الذي يربط الإلكترون بنفسه، نظامًا مشابهًا لذرة الهيدروجين - الميونيوم، الذي تشبه خصائصه الكيميائية من نواحٍ عديدة خصائص الهيدروجين. ويمكن للميون السالب أن يحل محل أحد الإلكترونات الموجودة على غلاف الإلكترون، مكونًا ما يسمى بالذرة المتوسطة. في الذرة المتوسطة، تقع الميونات أقرب إلى النواة بمئات المرات من الإلكترونات. وهذا يسمح باستخدام الذرة المتوسطة لدراسة شكل وحجم النواة.

في نهاية السبعينيات. تم اكتشاف لبتون مشحون ثالث، يسمى تاو ليبتون. هذا جسيم ثقيل جدًا. تبلغ كتلته حوالي 3500 كتلة الإلكترون، لكنه في جميع النواحي الأخرى يتصرف مثل الإلكترون والميون.

توسعت قائمة اللبتونات بشكل كبير في الستينيات. لقد وجد أن هناك عدة أنواع من النيوترينوات: نيوترينوات الإلكترون، ونيوترينوات الميون، ونيوترينوات مايو. وبالتالي، فإن إجمالي عدد أنواع النيوترينو هو ثلاثة، وإجمالي عدد اللبتونات هو ستة. بالطبع، كل لبتون لديه جسيم مضاد خاص به؛ وبالتالي فإن إجمالي عدد اللبتونات المختلفة هو 12. وتشارك اللبتونات المحايدة فقط في التفاعل الضعيف؛ مشحونة - في حالة ضعيفة وكهرومغناطيسية (انظر الجدول).

10.2.3. هادرونات.

إذا كان هناك 12 لبتون فقط، فهناك مئات من الهادرونات. الغالبية العظمى منها هي الرنين، أي. جزيئات غير مستقرة للغاية. حقيقة وجود المئات من الهادرونات تشير إلى أن الهادرونات نفسها مصنوعة من المزيد جسيمات دقيقة.

تم العثور على جميع الهادرونات في نوعين - مشحونة كهربائيا ومحايدة. وأشهر الهادرونات وأكثرها انتشارًا هي النيوترون والبروتون. الهادرونات المتبقية تتحلل بسرعة. تنقسم الهادرونات إلى فئتين. هذه فئة من الباريونات (الجسيمات الثقيلة) (البروتون والنيوترون والهايبرون ورنين الباريون) وعائلة كبيرة من الميزونات الأخف (الميونات والرنين البوزوني وما إلى ذلك).

تم إثبات وجود وخصائص معظم الهادرونات المعروفة في تجارب المسرعات. اكتشاف مجموعة واسعة من الهادرونات في الخمسينيات والستينيات. كان الفيزيائيون في حيرة شديدة. ولكن مع مرور الوقت، تم تصنيف الجسيمات حسب الكتلة والشحنة والدوران. تدريجيا، بدأت تظهر صورة أكثر أو أقل وضوحا. وقد ظهرت أفكار محددة حول كيفية تنظيم فوضى البيانات التجريبية والكشف عن سر الهادرونات بطريقة شاملة. نظرية علمية. تم اتخاذ الخطوة الحاسمة في عام 1963، عندما تم اقتراح نموذج الكوارك للهادرونات.

10.2.4. الجسيمات هي ناقلات التفاعلات.

لا تقتصر قائمة الجسيمات المعروفة على اللبتونات والهادرونات، التي تشكل مادة بناء المادة. وهناك نوع آخر من الجزيئات ليست مادة بناء المادة، ولكنها توفر التفاعلات الأساسية بشكل مباشر، أي: تشكل نوعًا من "الغراء" الذي يمنع المادة من الانهيار.

حامل التفاعل الكهرومغناطيسي هو الفوتون. يتم تمثيل نظرية التفاعل الكهرومغناطيسي بواسطة الديناميكا الكهربائية الكمومية (انظر 10.3.1).

الغلوونات (هناك ثمانية منها) هي حاملة للتفاعل القوي بين الكواركات. وهذا الأخير، بفضل الغلوونات، يرتبط في أزواج أو ثلاثة توائم (انظر 10.3.2 و10.3.4).

حاملات التفاعل الضعيف هي ثلاث جسيمات - بوزونات W± وZ° (انظر 10.3.3). ولم يتم اكتشافها إلا في عام 1983. إن نصف قطر التفاعل الضعيف صغير للغاية، لذا يجب أن تكون حاملاته عبارة عن جسيمات ذات كتل كبيرةسلام. وفقًا لمبدأ عدم اليقين، يجب أن يكون عمر الجسيمات ذات كتلة السكون الكبيرة هذه قصيرًا للغاية - فقط حوالي 10-26 ثانية.

ويُقترح أن وجود حامل لمجال الجاذبية، وهو الجرافيتون، ممكن أيضًا (انظر 10.1.2). مثل الفوتونات، تنتقل الجرافيتونات بسرعة الضوء؛ وبالتالي، فهي جسيمات ذات كتلة ساكنة صفر. ولكن في حين أن الفوتون لديه دوران 1، فإن الغرافيتون لديه دوران 2. هذا فرق مهميحدد اتجاه القوة: أثناء التفاعل الكهرومغناطيسي، تتنافر الجسيمات المشحونة بالمثل (الإلكترونات)، وأثناء تفاعل الجاذبية، تنجذب جميع الجسيمات إلى بعضها البعض.

ومن المهم بشكل خاص أن تتميز كل مجموعة من ناقلات التفاعل هذه بقوانين الحفظ الخاصة بها. ويمكن تمثيل كل قانون حفظ كمظهر لتناظر داخلي معين لمعادلات المجال (الحركة). يستخدم هذا الظرف لبناء نظرية موحدة للتفاعلات الأساسية.

إن تصنيف الجسيمات إلى هادرونات ولبتونات وحاملات للتفاعلات يستنزف عالم الجسيمات دون النووية المعروفة لنا. يلعب كل نوع من الجسيمات دوره في تكوين بنية المادة، أي الكون.

10.3. نظريات الجسيمات

10.3.1. الديناميكا الكهربائية الكمية.

تسمح لنا ميكانيكا الكم بوصف حركة الجسيمات الأولية، ولكن ليس خلقها أو تدميرها، أي. يستخدم فقط لوصف الأنظمة التي تحتوي على عدد ثابت من الجسيمات. تعميم ميكانيكا الكم هو نظرية المجال الكمي - هذه هي نظرية الأنظمة ذات عدد لا حصر لهدرجات الحرية (المجالات الفيزيائية)، مع مراعاة متطلبات كل من ميكانيكا الكم والنظرية النسبية. إن الحاجة إلى مثل هذه النظرية تتولد من ازدواجية الموجة الكمومية، أي الوجود خصائص الموجةلجميع الجزيئات. في نظرية المجال الكمي، يتم تمثيل التفاعل كنتيجة لتبادل كمات المجال، ويتم الإعلان عن كميات المجال بواسطة عوامل مرتبطة بأعمال ولادة وتدمير كمات المجال، أي. حبيبات.

في منتصف القرن العشرين. تم إنشاء نظرية التفاعل الكهرومغناطيسي - الديناميكا الكهربائية الكمومية (QED). هذه هي نظرية تفاعل المجال الكهرومغناطيسي والجسيمات المشحونة، وكذلك الجسيمات المشحونة (في المقام الأول الإلكترونات أو البوزيترونات) مع بعضها البعض، مدروسة بأدق التفاصيل ومجهزة بجهاز رياضي مثالي. تفي هذه النظرية بالمبادئ الأساسية لكل من نظرية الكم والنسبية.

في QED، لوصف التفاعل الكهرومغناطيسي، يتم استخدام مفهوم الفوتون الافتراضي، الذي "يُرى" فقط من خلال الجسيمات المشحونة التي تخضع للتشتت. إذا تم تمثيل الإلكترونات في الوصف الكلاسيكي على شكل كرة نقطية صلبة، فإن المجال الكهرومغناطيسي المحيط بالإلكترون في QED يعتبر بمثابة سحابة من الفوتونات الافتراضية التي تتبع الإلكترون بلا هوادة، وتحيط به بكمات الطاقة. تظهر الفوتونات وتختفي بسرعة كبيرة، ولا تتحرك الإلكترونات في الفضاء عبر مسارات محددة جيدًا. يمكنك أيضًا تحديد الأولي و نقطة النهايةالمسارات - قبل وبعد التشتت، لكن المسار نفسه في الفترة الفاصلة بين بداية الحركة ونهايتها يظل غير مؤكد.

لنأخذ على سبيل المثال عملية إصدار فوتون (افتراضي) من الإلكترون. بعد أن يصدر الإلكترون فوتونًا، فإنه ينتج زوجًا (افتراضيًا) من الإلكترون والبوزترون، والذي يمكن أن يفنى ليشكل فوتونًا جديدًا. هذا الأخير يمكن أن يمتصه الإلكترون الأصلي، ولكن يمكن أن يتولد زوج جديدإلخ. وهكذا، فإن الإلكترون مغطى بسحابة من الفوتونات والإلكترونات والبوزيترونات الافتراضية، والتي تكون في حالة توازن ديناميكي.

في QED، يظهر تفاعل المجال الكهرومغناطيسي والجسيم المشحون على شكل انبعاث وامتصاص الفوتونات الافتراضية بواسطة الجسيم. ويتم تفسير التفاعل بين الجسيمات المشحونة على أنه نتيجة لتبادل الفوتونات: كل جسيم مشحون يصدر فوتونات، والتي يمتصها بعد ذلك جسيم مشحون آخر. بالإضافة إلى ذلك، يأخذ QED في الاعتبار التأثيرات التي لم تكن موجودة على الإطلاق في الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية. أولاً، هذا هو تأثير تشتت الضوء بالضوء، أي. تفاعلات الفوتونات مع بعضها البعض. من وجهة نظر QED، فإن مثل هذا التشتت ممكن بسبب تفاعل الفوتونات مع تقلبات فراغ الإلكترون والبوزترون. وثانيًا، تنبأ QED بولادة أزواج من الجسيمات والجسيمات المضادة في المجالات الكهرومغناطيسية والجاذبية القوية، ومن بينها قد يكون هناك نيوكليون-نوكليون مضاد.

لقد تم اختبار QED في عدد كبير من التجارب الدقيقة للغاية. تتزامن التوقعات النظرية ونتائج الاختبارات التجريبية مع أعلى دقة- في بعض الأحيان يصل إلى تسعة منازل عشرية. مثل هذه المراسلات المذهلة تعطي الحق في اعتبار QED الأكثر تقدمًا بين المراسلات الموجودة. نظريات العلوم الطبيعية. لإنشاء QED، حصل S. Tomonaga و R. Feynman و J. Schwinger على جائزة نوبل في عام 1965. كما قدم عالم الفيزياء النظرية المتميز لدينا L.D. مساهمة كبيرة في تطوير QED. لانداو.

بعد هذا الانتصار، تم اعتماد QED كنموذج للوصف الكمي للتفاعلات الأساسية الثلاثة الأخرى. (بالطبع، المجالات المرتبطة بالتفاعلات الأخرى يجب أن تتوافق مع الجسيمات الحاملة الأخرى.) حاليًا، يعمل QED كجزء لا يتجزأ من المزيد من الجسيمات الحاملة. النظرية العامة— نظرية موحدة للتفاعلات الضعيفة والكهرومغناطيسية (انظر 10.3.3).

10.3.2. نظرية الكوارك.

نظرية الكواركات هي نظرية بنية الهادرونات. الفكرة الرئيسية لهذه النظرية بسيطة للغاية: جميع الهادرونات مبنية من جسيمات أصغر - الكواركات. تحمل الكواركات شحنة كهربائية جزئية، وهي إما -1/3 أو +2/3 من شحنة الإلكترون. يمكن أن يكون لمزيج من كواركين وثلاثة كواركات شحنة صافية قدرها يساوي الصفرأو وحدة. جميع الكواركات لها دوران 1/2، لذلك يتم تصنيفها على أنها فرميونات. مؤسسو نظرية الكوارك هم جيلمان وزفايج، وذلك من أجل الأخذ في الاعتبار كل ما كان معروفًا في الستينيات. الهادرونات، أدخلت ثلاثة أنواع (نكهات) من الكواركات: و (من الأعلى - العلوي)، د (من الأسفل - الأسفل) و س (من الغريب - الغريب).

1 تم اختيار مصطلح "كوارك" بشكل تعسفي تمامًا. في رواية "يقظة فينيجان" للكاتب جويس، يحلم البطل بحلم تصرخ فيه طيور النورس وهي تندفع فوق بحر عاصف بأصوات حادة: "ثلاثة كواركات للسيد مارك!" يتوافق هذا النهج تمامًا مع الطبيعة المجردة للغاية لمفاهيم النظريات الفيزيائية الحديثة.

بالإضافة إلى ذلك، كل كوارك لديه نظير من الشحنة الكهربائية، والذي يعمل كمصدر لحقل الغلون. كان يسمى اللون. إذا تم توليد المجال الكهرومغناطيسي بواسطة شحنة من نوع واحد فقط، فإن حقل الجلون الأكثر تعقيدًا يتم إنشاؤه بواسطة ثلاث شحنات ألوان مختلفة. كل كوارك "ملون" بواحد من ثلاثة الألوان الممكنة، والتي (بشكل تعسفي) كانت تسمى الأحمر والأخضر والأزرق. وبناءً على ذلك، فإن الكواركات المضادة هي مضادة للأحمر، ومضادة للأخضر، ومضادة للأزرق.

1 كما هو الحال مع مصطلح "كوارك"، يتم اختيار مصطلح "اللون" هنا بشكل عشوائي وليس له علاقة باللون العادي.

يمكن للكواركات أن تتحد مع بعضها البعض بإحدى طريقتين محتملتين: إما في ثلاثة توائم أو في أزواج من الكواركات والكواركات المضادة. تتكون الجسيمات الثقيلة نسبيًا - الباريونات - من ثلاثة كواركات؛ وأشهر الباريونات هي النيوترون والبروتون. على سبيل المثال، يتكون البروتون من اثنين من كواركات u وكوارك d واحد (uud)، ويتكون النيوترون من اثنين من كواركات d وكوارك u واحد (udd). تشكل أزواج الكواركات والكواركات المضادة الأخف جسيمات تسمى الميزونات. على سبيل المثال، يتكون ميزون باي الموجب من كوارك u وكوارك d، ويتكون ميزون بي السالب من كوارك u وكوارك d. ولكي لا يتحلل هذا "الثلاثي" من الكواركات، هناك حاجة إلى قوة قابضة، أو نوع من "الغراء". ويتم تعويض "الشحنات اللونية" للكواركات بشكل جماعي بحيث تتحول نتيجة لذلك إلى الهادرونات "بيضاء" (أو عديمة اللون).

اتضح أن التفاعل بين النيوترونات والبروتونات في النواة هو تأثير متبقي للتفاعل الأقوى بين الكواركات نفسها. وهذا ما يفسر لماذا تبدو القوة الشديدة معقدة للغاية ولماذا لم يتم اكتشاف الكواركات الحرة. عندما "يلتصق" بروتون بنيوترون أو بروتون آخر، فإن التفاعل يتضمن ستة كواركات، يتفاعل كل منها مع جميع الكواركات الأخرى. يتم إنفاق جزء كبير من الطاقة على "إلصاق" ثلاثي الكواركات بقوة، وجزء صغير على ربط ثلاثي الكواركات ببعضهما البعض.

إن حقيقة إمكانية الحصول على جميع الهادرونات المعروفة من مجموعات مختلفة من الجسيمات الأساسية الثلاثة كانت بمثابة انتصار لنظرية الكوارك. لكن في السبعينيات. تم اكتشاف هادرونات جديدة (جسيمات psi، ميزون أبسيلون، وما إلى ذلك). وقد وجه هذا ضربة قوية للنسخة الأولى من نظرية الكوارك، حيث لم يكن هناك مجال لجسيم واحد جديد فيها. الجميع مجموعات ممكنةلقد تم بالفعل استنفاد الكواركات وكواركاتها المضادة. تم حل المشكلة بإدخال ثلاث نكهات جديدة. كانوا يطلق عليهم سحر (سحر)، أو مع؛ ب (من الجمال – الجمال أو السحر) و ت (من الأعلى – الأعلى).

لذا فإن الكواركات تتماسك معًا نتيجة للتفاعل القوي. ناقلات الأخير هي غلوونات (شحنات اللون). يُطلق على مجال فيزياء الجسيمات الذي يدرس تفاعل الكواركات والجلونات اسم الديناميكا اللونية الكمومية. مثلما أن الديناميكا الكهربائية الكمومية هي نظرية التفاعل الكهرومغناطيسي، فإن الديناميكا اللونية الكمومية هي نظرية التفاعل القوي (انظر 10.3.4).

حاليًا، يعتبر معظم الفيزيائيين أن الكواركات هي جسيمات أولية حقًا - تشبه النقطة، وغير قابلة للتجزئة وبدون بنية داخلية. وفي هذا الصدد، فهي تشبه اللبتونات، وقد افترض منذ فترة طويلة أنه لا بد من وجود علاقة عميقة بين هاتين العائلتين المتميزتين ولكن المتشابهتين من الناحية الهيكلية.

1 في عام 1969، تم الحصول على دليل مادي مباشر على وجود الكواركات في سلسلة من التجارب على تشتت الإلكترونات (المتسارعة إلى طاقات عالية) بواسطة البروتونات. أظهرت التجربة أن تشتت الإلكترون يحدث كما لو أن الإلكترونات اصطدمت بشوائب صلبة صغيرة وارتدت عنها بزوايا لا تصدق. مثل هذه الشوائب الصلبة داخل البروتونات هي الكواركات.
2 صحيح أن بعض الفيزيائيين (حيث تبين أن عدد الكواركات كبير للغاية) يميلون إلى افتراض أن الكواركات تتكون من جسيمات أصغر.

وهكذا، في نهاية القرن العشرين. العدد الأكثر احتمالا للجسيمات الأولية حقا (بدون احتساب حاملات التفاعلات الأساسية) هو 48: لبتونات (6.2) = 12 زائد كواركات (ب. 3). 2 = 36. هذه الجسيمات الـ 48 هي "لبنات البناء" الحقيقية للمادة، وأساس التنظيم المادي للعالم.

10.3.3. نظرية التفاعل الكهروضعيف.

مفاهيم قياس المجال وكسر التماثل التلقائي. في 1960s حدث بارز في العلوم الطبيعية: تم دمج اثنين من التفاعلات الأربعة الأساسية للفيزياء في تفاعل واحد. ظهرت التفاعلات الكهرومغناطيسية والضعيفة، التي تبدو مختلفة جدًا في طبيعتها، كأنواع مختلفة من التفاعل الكهروضعيف الفردي. لقد أصبحت صورة التفاعلات الأساسية أبسط إلى حد ما.

تم إنشاء نظرية التفاعل الكهروضعيف في شكلها النهائي من قبل اثنين من الفيزيائيين العاملين بشكل مستقل - S. Weinberg و A. Salam. وجزء لا يتجزأ من هذه النظرية هو نظرية التفاعل الضعيف، والتي تم تطويرها بشكل متزامن وبالارتباط الوثيق مع نظرية التفاعل الكهروضعيف.

كان لإنشاء نظرية التفاعل الكهروضعيف تأثير عميق وحاسم على تطور فيزياء الجسيمات الأولية في النصف الثاني من القرن العشرين. وكانت الفكرة الرئيسية لهذه النظرية هي وصف التفاعل الضعيف من حيث مفهوم المجال المقياسي، ومفتاحه هو مفهوم التناظر. وتجدر الإشارة هنا بشكل خاص إلى إحدى الأفكار الأساسية للفيزياء في النصف الثاني من القرن العشرين. هو الاعتقاد بأن جميع التفاعلات موجودة فقط للحفاظ على مجموعة معينة من التماثلات المجردة في الطبيعة. ولكن يبدو أن ما علاقة التناظر بالتفاعلات الأساسية؟ بعد كل شيء، للوهلة الأولى، يبدو البيان حول وجود مثل هذا الاتصال بعيد المنال، والمضاربة، ومصطنع. دعونا نفكر في هذه المشكلة بمزيد من التفصيل.

بداية، ما المقصود بالتماثل؟ من المقبول عمومًا أن يكون الكائن متماثلًا إذا ظل دون تغيير بعد عملية أو أخرى لتحويله. وبعبارة أخرى، في جدا بالمعنى العامالتناظر يعني ثبات بنية الجسم فيما يتعلق بتحولاته. بالنسبة للفيزياء، هذا يعني أن التناظر هو عدم التغير النظام المادي(القوانين التي تميزه، والكميات المقابلة له) فيما يتعلق ببعض التحولات المحددة. (على سبيل المثال، قوانين الكهرباء متناظرة فيما يتعلق بالاستبدال شحنات إيجابيةسلبي، والعكس صحيح؛ والأنظمة الميكانيكية المغلقة متناظرة بالنسبة للزمن، الخ.)

ويترتب على ذلك أن النظام الفيزيائي في خصائصه الأساسية يتم تحديده من خلال مجموعة (مجموعة) تحولاته المتماثلة. إذا ارتبطت مجموعة من التحولات بمساحة معينة تتمتع ببنية متماثلة تتوافق مع التحولات، فيمكن تمثيل الكائن نفسه كعنصر في مثل هذا الفضاء (نظرًا لأن تحويلات الكائن هي في هذه الحالة تحويلات للفضاء) . في هذه الحالة، تتلخص دراسة تماثلات جسم ما في دراسة الخصائص الثابتة لمساحة معينة.

إحدى الأدوات الرياضية لتحليل التحولات المتماثلة هي نظرية المجموعة. لذلك، لحل مهام محددةيتم استخدام النهج التالي. أولًا، تحدد المعادلة بعض المساحة المتجهة. ثم يتم دراسة مجموعة التحولات الثابتة لهذه المعادلة. يمكن ربط كل عنصر من عناصر المجموعة ببعض التحولات إليه مساحة المتجهاتحلول لهذه المعادلة. إن معرفة العلاقات بين عناصر المجموعة وهذا النوع من التحول يسمح في كثير من الحالات بإيجاد حلول للمعادلة. وهذا يعني تحديد وجود خصائص متناظرة حقيقية للكائن الذي يمكن ربط مساحة معينة به.

1 بالمعنى الأكثر عمومية، تُفهم المجموعة في الرياضيات على أنها مجموعة غير فارغة يتم فيها تحديد بعض العمليات الجبرية الثنائية، ويتم تحديد الوحدة الأولية لهذه المجموعة وعنصرها العكسي. (على وجه الخصوص، في الهندسة، المجموعة هي مجموعة من جميع التحولات المتعامدة (المرآة) التي تجمع الشكل مع نفسه.) نظرية المجموعة كمجال مستقل للرياضيات تشكلت في مطلع القرن التاسع عشر— XX قرون (إم إس لي وآخرون) بناءً على أفكار تطورت في القرن التاسع عشر. في نظرية الحل المعادلات الجبريةفي الجذور (N. Abel، E. Galois)، "برنامج Erlangen" بقلم F. Klein، نظرية الأعداد (K. Gauss، إلخ).

لعبت دراسة تناظرات معادلات نظرية المجال دورًا مهمًا في تطوير نظرية الكم النسبية. في المصطلحات الأكثر عمومية، تنقسم هذه التناظرات إلى خارجية مرتبطة بخصائص الزمكان، وداخلية مرتبطة بخصائص الجسيمات الأولية. مثال على التناظر الخارجي هو تناظر قوانين الأجسام الكمومية فيما يتعلق بالانعكاس المكاني (P)، وانعكاس الزمن (T)، واقتران الشحنة (C)، أي. استبدال الجسيمات بالجسيم المضاد المقابل. تم إثبات "نظرية CPT" المهمة، والتي بموجبها لا يتغير شكل معادلات نظرية المجال الكمي إذا تم إجراء التحولات التالية في وقت واحد:

قم بإدخال جسيم في جسيم مضاد، وقم بإجراء الانقلاب المكاني (استبدل إحداثيات الجسيم r بـ -r)، والوقت العكسي (استبدل t بـ -t). إن الاكتشاف التجريبي للانتهاكات الفردية لهذه النظرية للتفاعلات الضعيفة هو شرط أساسي لفكرة إمكانية الانتهاك التلقائي للتماثلات في العالم المصغر بشكل عام.

ولكن، بالإضافة إلى الخارجية، هناك أيضا تماثلات داخلية مرتبطة بخصائص الجسيمات نفسها، وليس بخصائص الزمكان. وكما لاحظنا سابقًا، تتميز كل مجموعة من الجسيمات في المقام الأول بقوانين الحفظ الخاصة بها. ويعتبر كل قانون من قوانين الحفظ بمثابة مظهر لتناظر داخلي معين لمعادلات المجال. من خلال ربط بعض التماثلات الداخلية، يمكن للمرء، كما كان، الانتقال من وصف خصائص جسيم واحد إلى وصف خصائص جسيم آخر. وهكذا، من خلال "إيقاف" قوانين الحفظ المتأصلة في التفاعلات الكهرومغناطيسية والضعيفة في معادلات المجال، نصل إلى تحديد كامل للبروتون والخلايا العصبية، ويصبح من الصعب تمييزهما عن بعضهما البعض.

من بين التماثلات الداخلية لمعادلات المجال المقابلة لقوانين الحفظ، تلعب تماثلات القياس دورًا خاصًا. بضع كلمات حول قياس التماثلات بشكل عام. يكون للنظام مقياس تناظر إذا ظلت خصائصه الأساسية دون تغيير عندما يتغير مستوى أو مقياس أو قيمة بعض الكمية الفيزيائية. على سبيل المثال، في الفيزياء، يعتمد العمل على الاختلافات في الارتفاعات، وليس على الارتفاعات المطلقة؛ الجهد - من الفرق المحتمل، وليس من قيمها المطلقة، وما إلى ذلك.

يمكن أن تكون تحويلات تناظر القياس عالمية أو محلية. التحولات العالمية تغير النظام ككل، في كامل حجمه الزماني المكاني. في فيزياء الكم، يتم التعبير عن ذلك في حقيقة أنه في جميع النقاط في الزمكان، تخضع قيم الدالة الموجية لنفس التغيير. تحويلات المقياس المحلي هي تحويلات تختلف من نقطة إلى أخرى. في هذه الحالة وظيفة الموجةوتتميز كل نقطة بمرحلتها الخاصة، والتي تتوافق مع جسيم معين.

وأظهر التحليل أنه في نظرية المجال الكمي، يمكن تحويل تحويل المقياس العالمي إلى تحويل محلي. وفي هذه الحالة، يظهر بالضرورة في معادلات الحركة مصطلح يأخذ في الاعتبار تفاعل الجسيمات. وهذا يعني أنه للتواصل والحفاظ على التماثل في كل نقطة في الفضاء، هناك حاجة إلى مجالات قوة جديدة - مجالات قياس. بمعنى آخر، يفترض تناظر القياس وجود حقول قياس متجهة، حيث تتبادل الكميات الجسيمات، محققة هذا التفاعل. وبالتالي، يمكن اعتبار مجالات القوة وسيلة يتم من خلالها إنشاء تناظرات القياس المحلية المتأصلة في الطبيعة. تكمن أهمية مفهوم تناظر المقياس في أنه على أساسه تم تصميم جميع التفاعلات الأساسية الأربعة، التي تعتبر مجالات قياس، نظريًا.

الكهرومغناطيسية لديها أبسط قياس التماثل. وبعبارة أخرى، فإن المجال الكهرومغناطيسي ليس مجرد نوع معين من مجال القوة الموجود في الطبيعة، ولكنه مظهر من مظاهر أبسط (متوافق مع المبادئ) نظرية خاصةالنسبية) قياس التناظر، حيث تتوافق تحويلات القياس مع التغيرات في الإمكانات من نقطة إلى أخرى.

لقد تطورت نظرية الكهرومغناطيسية على مر القرون على أساس البحث التجريبي المضني، ولكن اتضح أنه يمكن استنتاج نتائج هذه الدراسات نظريًا بحتًا، استنادًا إلى معرفة اثنين فقط من التماثلات - أبسط تناظر المقياس المحلي وما يسمى تناظر لورنتز-بوينكاريه في النظرية النسبية الخاصة. وعلى أساس وجود هذين التماثلين فقط، دون إجراء تجربة واحدة على الكهرباء والمغناطيسية، يمكن بناء معادلات ماكسويل، واستخلاص جميع قوانين الكهرومغناطيسية، وإثبات وجود موجات الراديو، وإمكانية إنشاء دينامو، وما إلى ذلك.

لتمثيل مجال التفاعل الضعيف كحقل قياس، كان من الضروري أولاً تحديد الشكل الدقيق لتماثل المقياس المقابل. والحقيقة هي أن تناظر التفاعل الضعيف أكثر تعقيدًا بكثير من تناظر التفاعل الكهرومغناطيسي، نظرًا لأن التفاعل الضعيف نفسه أكثر تعقيدًا. ويتضح ذلك من خلال عدد من الظروف. وبالتالي، فإن التفاعلات الضعيفة غالبًا ما تتضمن جسيمات من أربعة أنواع مختلفة على الأقل (في اضمحلال النيوترون، على سبيل المثال، النيوترون والبروتون والإلكترون والنيوترينو). بالإضافة إلى أن عمل القوى الضعيفة يؤدي إلى تغير في طبيعتها (تحول بعض الجزيئات إلى أخرى بسبب التفاعل الضعيف). وعلى العكس من ذلك فإن التفاعل الكهرومغناطيسي لا يغير طبيعة الجزيئات المشاركة فيه.

وتبين أنه للحفاظ على تماثل التفاعل الضعيف، هناك حاجة إلى ثلاثة مجالات قوة جديدة، على عكس مجال كهرومغناطيسي واحد. وهذا يعني أنه يجب أن يكون هناك ثلاثة أنواع جديدة من الجسيمات - حاملات التفاعل، واحدة لكل مجال. يطلق عليها اسم البوزونات الناقلة الثقيلة تدور 1 وهي حاملة للقوة الضعيفة. جسيمات W+ وW- هي حاملة لاثنين من المجالات الثلاثة المرتبطة بالتفاعل الضعيف. المجال الثالث يتوافق مع جسيم حامل محايد كهربائيا، يسمى جسيم Z°. إن وجود جسيم Z° يعني أن التفاعل الضعيف قد لا يكون مصحوبًا بنقل الشحنة الكهربائية.

لعب مفهوم كسر التناظر التلقائي دورًا رئيسيًا في إنشاء نظرية التفاعل الكهروضعيف. بعض الأنظمة الفيزيائية التي لديها تناظر معين قد تفقده في الحالات التي تكون فيها الحالة المتماثلة غير مواتية طاقيًا (ليس لديها حد أدنى من الطاقة)، ​​والحالة المواتية طاقيًا ليس لديها التماثل الأصلي وتكون غامضة. يتم التعبير عن هذا الغموض رياضيًا في حقيقة أن معادلة حركة نظام فيزيائي معين لا يتم تمثيلها بحل واحد، بل بسلسلة من الحلول التي ليس لها التماثل الأصلي. في نهاية المطاف، من هذه السلسلة من الحلول، يتم تنفيذ واحد. ففي نهاية المطاف، ليس كل حل لمشكلة ما يجب أن يتمتع بجميع خصائص مستواه الأصلي. وبالتالي، فإن الجسيمات التي تختلف تمامًا عند الطاقات المنخفضة، عند الطاقات العالية، قد يتبين في الواقع أنها نفس الجسيم، ولكنها تقع في دول مختلفة. وهكذا فإن فكرة واينبرغ وسلام عن التناظر التلقائي تكسر الكهرومغناطيسية الموحدة والقوة الضعيفة إلى نظرية مجال قياس موحد.

تقدم نظرية واينبرغ-سلام أربعة مجالات فقط: الكهرومغناطيسية وثلاثة مجالات تتوافق مع التفاعلات الضعيفة. في هذه النظرية، الفوتونات والبوزونات الناقلة الثقيلة (W± وZ°) لها أصل مشترك وترتبط ارتباطًا وثيقًا ببعضها البعض. بالإضافة إلى ذلك، دائم على الصعيد الوطني

هذا هو المجال العددي (ما يسمى بحقل هيغز)، حيث تتفاعل الفوتونات والبوزونات المتجهة بشكل مختلف، مما يحدد الفرق في كتلتها. كمات المجال العددي عبارة عن جسيمات أولية ضخمة ذات دوران صفري. يطلق عليهم اسم هيجز (سمي على اسم الفيزيائي ب. هيجز، الذي اقترح وجودهم). يمكن أن يصل عدد بوزونات هيغز إلى عشرات.

1 تم مؤخرًا الإبلاغ عن اكتشاف تجريبي لبوزونات هيغز. ويجري حاليا التحقق من نتائج هذه التجربة.

لماذا تتمتع التفاعلات الكهرومغناطيسية والضعيفة بخصائص مختلفة؟ تشرح نظرية واينبرغ-سلام هذه الاختلافات عن طريق كسر التناظر. إذا لم يتم كسر التماثل، فسيكون كلا التفاعلين قابلين للمقارنة في الحجم. في البداية، لا تمتلك الكمات W وZ كتلة، ولكن بسبب كسر التناظر، تندمج بعض جسيمات هيغز مع جسيمات W وZ، مما يمنحها كتلة. لكن الفوتون لا يشارك في عملية الاندماج مع جسيمات هيجز، وبالتالي ليس له كتلة ساكنة. يؤدي كسر التماثل إلى انخفاض حاد في التفاعل الضعيف، لأنه يرتبط مباشرة بكتلة جسيمات W وZ. يمكننا القول أن التفاعل الضعيف صغير جدًا لأن جزيئات W وZ ضخمة جدًا.

نادرًا ما تقترب اللبتونات من هذه المسافات الصغيرة (r = 10-18 m) التي يصبح عندها تبادل البوزونات الناقلة الثقيلة ممكنًا. ولكن عند الطاقات العالية (أكثر من 100 جيجا إلكترون فولت)، عندما يمكن إنتاج جسيمات W وZ بحرية، يكون تبادل بوزونات W وZ سهلاً مثل تبادل الفوتونات (جسيمات عديمة الكتلة)، والفرق بين الفوتونات والبوزونات هو تمحى. في ظل هذه الظروف، يجب أن يكون هناك تماثل كامل بين التفاعلات الكهرومغناطيسية والضعيفة – التفاعل الكهروضعيف.

الأكثر إقناعا التحقق التجريبيوكانت النظرية الجديدة تؤكد وجود جسيمات W و Z الافتراضية. أصبح اكتشافهم في عام 1983 ممكنًا فقط من خلال إنشاء مسرعات قوية جدًا أحدث نوعويعني انتصار نظرية واينبرغ-سلام. وقد ثبت بشكل قاطع أن القوى الكهرومغناطيسية والقوى الضعيفة هما مكونان لقوة كهروضعيفة واحدة.

في عام 1979، حصل S. Weinberg و A. Salam و S. Glashow على جائزة نوبل لإنشاء نظرية التفاعل الكهربائي الضعيف.

10.3.4. الديناميكا اللونية الكمومية.

الخطوة التالية على طريق فهم التفاعلات الأساسية هي إنشاء نظرية التفاعل القوي. للقيام بذلك، من الضروري إعطاء ميزات مجال القياس للتفاعل القوي. يمكن تمثيل الأخير كنتيجة لتبادل الغلوونات، مما يضمن اتصال الكواركات (في أزواج أو ثلاثة توائم) بالهادرونات (انظر 10.3.2). يؤدي تبادل الغلوونات إلى تغيير "لون" الكواركات، لكنه يترك الخصائص الأخرى دون تغيير، أي. يحافظ على تنوعها ("الرائحة").

تم إنشاء نظرية التفاعل القوي وفقًا لنفس مخطط نظرية التفاعل الضعيف. إن متطلبات تناظر المقياس المحلي (أي الثبات فيما يتعلق بالتغيرات في "اللون" عند كل نقطة في الفضاء) تؤدي إلى الحاجة إلى إدخال مجالات القوة التعويضية. مطلوب ما مجموعه ثمانية حقول قوة تعويضية جديدة. الجسيمات الحاملة لهذه الحقول هي غلوونات. وبالتالي، تشير النظرية إلى أنه يجب أن يكون هناك ما يصل إلى ثمانية أنواع مختلفة من الغلونات.

مثل الفوتونات، الغلوونات لها كتلة ساكنة صفر وتدور 1. كما أن الغلوونات لها كتلة ساكنة ألوان مختلفةولكن ليست نقية بل ممزوجة. تتكون الغلوونات من "لون" و"مضاد للألوان" (على سبيل المثال، اللون الأزرق المضاد للأخضر). ولذلك، فإن انبعاث أو امتصاص الغلوون يصاحبه تغير في لون الكوارك ("تلاعب الألوان"). على سبيل المثال، الكوارك الأحمر، الذي يفقد غلوون أحمر ضد الأزرق، يتحول إلى كوارك أزرق، والكوارك الأخضر، الذي يمتص غلوون أزرق ضد الأخضر، يتحول إلى كوارك أزرق.

من وجهة نظر الديناميكا اللونية الكمومية (نظرية الألوان الكمومية)، فإن التفاعل القوي ليس أكثر من الرغبة في الحفاظ على تناظر تجريدي معين للطبيعة: الحفاظ على اللون الأبيض لجميع الهادرونات عندما يتغير لونها. عناصر- جسيمات دون الذرية. في البروتون، على سبيل المثال، تتبادل ثلاثة كواركات الجلونات باستمرار، مما يؤدي إلى تغيير لونها. مع ذلك، أن

هذه التغييرات ليست اعتباطية بطبيعتها، ولكنها تخضع لقاعدة صارمة: في أي لحظة من الزمن، يجب أن يكون اللون "الإجمالي" للكواركات الثلاثة هو الضوء الأبيض، أي. المجموع "أحمر + أخضر + أزرق". وينطبق هذا أيضًا على الميزونات التي تتكون من زوج من الكواركات والكواركات المضادة. نظرًا لأن الكوارك المضاد يتميز بمضاد اللون، فمن الواضح أن هذا المزيج عديم اللون ("أبيض")، على سبيل المثال، يشكل الكوارك الأحمر مع كوارك مضاد الأحمر ميسون عديم اللون ("أبيض").

1 اللبتونات والفوتونات والبوزونات المتوسطة (جسيمات W و Z) لا تحمل اللون وبالتالي لا تشارك في التفاعل القوي).

تشرح الديناميكا اللونية الكمومية بشكل مثالي القواعد التي تخضع لها جميع مجموعات الكواركات، وتفاعل الغلوونات مع بعضها البعض (يمكن أن يتحلل الغلوون إلى غلوونين أو يندمج غلوونان في واحد - ولهذا السبب تظهر المصطلحات غير الخطية في معادلة مجال الغلوون)، وتفاعل الغلوونات. الكواركات والجلونات مثل QED (الكواركات المغطاة بسحب من الغلوونات الافتراضية وأزواج الكواركات والكواركات المضادة)، والبنية المعقدة للهادرونات التي تتكون من كواركات "مرتدية" السحب، وما إلى ذلك.

قد يكون من السابق لأوانه تقييم الديناميكا اللونية الكمومية باعتبارها نظرية نهائية وكاملة للتفاعل القوي، ولكن حالتها التجريبية قوية جدًا وإنجازاتها واعدة.

10.3.5. في الطريق إلى التوحيد العظيم.

مع إنشاء الديناميكا اللونية الكمومية، نشأ الأمل في بناء نظرية موحدة لجميع التفاعلات الأساسية (أو على الأقل ثلاثة من أصل أربعة). النماذج التي تصف ثلاثة (قوية، ضعيفة، كهرومغناطيسية) من التفاعلات الأساسية الأربعة بطريقة موحدة تسمى النماذج الموحدة الكبرى.

تجربة الجمع الناجح للتفاعلات الضعيفة والكهرومغناطيسية بناء على فكرة مجالات القياس المقترحة الطرق الممكنةمواصلة تطوير مبدأ وحدة الفيزياء، وتوحيد التفاعلات الفيزيائية الأساسية. واحد منهم على أساس حقيقة مذهلة، أن ثوابت التفاعلات الكهربية الضعيفة والتفاعلات القوية عند الانتقال إلى مسافات صغيرة (أي إلى الطاقات العالية) تصبح متساوية عند نفس الطاقة. هذه الطاقة كانت تسمى طاقة التوحيد. فهو تقريبًا 1014-1016 جيجا إلكترون فولت؛ يتوافق مع مسافة = 10-29 سم.

عند الطاقات التي تزيد عن 1014-1016 جيجا إلكترون فولت، أو على مسافات أقل من 10-29 سم، يتم وصف التفاعلات القوية والضعيفة والكهرومغناطيسية بثابت واحد، أي. لها طبيعة مشتركة. لا يمكن تمييز الكواركات واللبتونات عمليا هنا، والغلوونات والفوتونات والبوزونات المتجهة W± وZ° عبارة عن كمات من حقول قياس ذات تناظر قياس واحد. بعد كل شيء، إذا كانت التفاعلات الكهروضعيفة والقوية في الواقع مجرد وجهين للتفاعل الموحد العظيم، فيجب أن يتوافق الأخير أيضًا مع مجال قياس مع بعض تناظر معقد. يجب أن تكون عامة بما يكفي لتغطية جميع تماثلات القياس الموجودة في كل من الديناميكا اللونية الكمومية ونظرية التفاعل الكهروضعيف. وفي الوقت نفسه، ينبغي أن يؤدي انهيارها التلقائي إلى فصل التفاعلات الكهربائية الضعيفة والقوية. إن العثور على مثل هذا التناظر هو المهمة الرئيسية نحو إنشاء نظرية موحدة للتفاعلات الكهربائية الضعيفة والقوية.

هناك أساليب مختلفة تؤدي إلى ظهور نسخ متنافسة من النظريات الموحدة الكبرى. ومع ذلك، فإن كل هذه الإصدارات الافتراضية من التوحيد العظيم لها عدد من السمات المشتركة. أولاً، في جميع الفرضيات، يتم تضمين الكواركات واللبتونات - حاملات التفاعلات الكهربائية الضعيفة والقوية - في مخطط نظري واحد. حتى الآن تم اعتبارهما كائنات مختلفة تمامًا. ثانيًا، يؤدي استخدام تماثلات القياس المجردة إلى اكتشاف أنواع جديدة من الحقول التي لها خصائص جديدة، على سبيل المثال القدرة على تحويل الكواركات إلى لبتونات.

في أبسط نسخة من النظرية الموحدة الكبرى، يتطلب تحويل الكواركات إلى لبتونات 24 حقلًا، و12 من هذه الحقول معروفة بالفعل: فوتون، وجسيمان W، وجسيم Z°، وثمانية غلوونات. الكميات الـ 12 المتبقية هي بوزونات وسيطة جديدة فائقة الثقل، مجتمعة اسم شائعجسيمات X و Y (ذات لون وشحنة كهربائية). تتوافق هذه الكمات مع الحقول التي تحافظ على تناظر قياس أوسع وتخلط الكواركات مع اللبتونات. وبالتالي، يمكن لجسيمات X وY تحويل الكواركات إلى لبتونات (والعكس صحيح).

لا يوجد حديث حتى الآن عن الاكتشاف التجريبي المباشر لبوزونات X وY. ففي نهاية المطاف، تتعامل النظريات الموحدة الكبرى مع طاقات الجسيمات التي تزيد عن 1014 جيجا إلكترون فولت. هذه طاقة عالية جدًا. من الصعب تحديد متى سيكون من الممكن الحصول على جسيمات بهذه الطاقات العالية عند التسارع.

تجار التجزئة. وهذا الاحتمال غير وارد في المستقبل المنظور. تكافح المسرعات الحديثة للوصول إلى 100 جيجا إلكترون فولت. وبالتالي فإن المجال الرئيسي لاختبار نظريات التوحيد الكبير هو عواقبه (بالنسبة لعلم الكونيات والمناطق منخفضة الطاقة). وهكذا، بدون نظريات التوحيد الكبير، من المستحيل وصف المرحلة المبكرة من تطور الكون، عندما وصلت درجة حرارة البلازما الأولية إلى 1027 كلفن. وفي ظل هذه الظروف، يمكن إنشاء وتدمير بوزونات X وY فائقة الثقل.

بالإضافة إلى ذلك، واستنادًا إلى النظريات الموحدة الكبرى، تم التنبؤ بنمطين مهمين في المناطق منخفضة الطاقة والتي يمكن اختبارها تجريبيًا. أولاً، يجب أن تتسبب التحولات بين الكواركات واللبتونات في اضمحلال البروتون. وهذا يعني أنه غير مستقر: يجب أن يكون عمر البروتون حوالي 1031 سنة. ثانيًا، النتيجة الحتمية لهذه النظريات هي وجود أحادي القطب المغناطيسي - وهو جسيم مستقر وثقيل جدًا (كتلة 108 بروتون) يحمل قطبًا مغناطيسيًا واحدًا. يمكن أن يوفر الاكتشاف التجريبي لاضمحلال البروتون والأقطاب المغناطيسية حجة قوية لصالح النظريات الموحدة الكبرى. وتهدف الجهود التجريبية إلى اختبار هذه التوقعات. سيكون اكتشاف اضمحلال البروتون هو الأكبر تجربة فيزيائيةالقرن الحادي والعشرون! ولكن لا توجد حتى الآن بيانات ثابتة بشأن هذه المسألة.

10.3.6. الجاذبية الفائقة.

لكن توحيد ثلاثة من التفاعلات الأساسية الأربعة ليس نظرية موحدة بعد بكل معنى الكلمةكلمات. بعد كل شيء، الجاذبية لا تزال قائمة. المخططات النظريةوالتي يتم من خلالها دمج جميع أنواع التفاعلات المعروفة (القوية والضعيفة والكهرومغناطيسية والجاذبية) تسمى نماذج الجاذبية الفائقة. النماذج النظرية التي تجمع بين التفاعلات الأربعة (الجاذبية الفائقة) مبنية على فكرة التناظر الفائق، أي. مثل هذا الانتقال من التناظر المقياس العالمي إلى التناظر المحلي، والذي من شأنه أن يسمح بالانتقال من الفرميونات (حاملات الركيزة للمادة) إلى البوزونات (حاملات بنية المادة، وحاملات التفاعلات)، والعكس صحيح.

لذلك، الجاذبية الفائقة هي نظرية ليس فقط لحاملات جميع التفاعلات الأساسية، ولكن أيضًا للجسيمات التي تشكل المادة (الكواركات واللبتونات). في الجاذبية الفائقة، يتحدون جميعًا في نظرية واحدة للمادة (المادة والمجال). واحد من النماذج النظريةيجمع 70 جسيمًا مع دوران 0؛ 56 جسيمًا مع دوران 1/2؛ 28 جسيمًا مع دوران 1؛ 8 جسيمات ذات دوران 3/2 (كانت تسمى بالجرافيتينو) وجسيم واحد ذو دوران 2 (جرافيتون). كل هذه الجسيمات تشكلت في اللحظات الأولى لنشوء الكون.

الجاذبية الفائقة هي الذروة الفيزياء النظريةتلك النظرية العامة والمجردة التي تتوج البحث الطويل والمكثف والمثير في كثير من الأحيان عن وحدة الفيزياء. على مستوى التناظر الفائق، هناك حاجة لإثبات التماثلات المجردة لحقول القياس. بمعنى آخر، تبرز الحاجة مرة أخرى لإثبات الفيزياء بالهندسة (انظر 9.2.3)، على وجه الخصوص، لتمثيل مجالات القياس على أنها التماثلات الهندسيةالمرتبطة بأبعاد إضافية للمساحة. أدى هذا إلى إحياء الأفكار حول تعدد الأبعاد في عالمنا.

تظهر نماذج التناظر الفائق حيث يُنظر إلى عالمنا على أنه زمكان ذو 11 بُعدًا (أو 10 أبعاد، أو حتى 26 بُعدًا). من بين الأبعاد الأحد عشر، يظهر أربعة فقط في عالمنا، وتبقى السبعة المتبقية ملتوية ومغلقة. هؤلاء " الأبعاد الخفية"موجود على مقياس r = 10-33 سم. لاختراق مثل هذه المقاييس، هناك حاجة إلى طاقة مماثلة للطاقة الكاملة لمجرتنا! وبطبيعة الحال، فإن مشاريع اختراق مثل هذه المناطق الصغيرة من عالمنا في المستقبل المنظور غير واقعية بالنسبة للبشرية. (ربما تكون غير واقعية من حيث المبدأ).

إن الميزة والدليل الذي لا شك فيه على وعد برنامج الجاذبية الفائقة هو أنه تحت تأثيره ظهر نهج جديد لتوحيد التفاعلات الأساسية - نظرية الأوتار الفائقة. في هذه النظرية، يعتبر الجسيم بمثابة سلسلة - نظام تذبذب مع معلمات موزعة. في الطاقات المنخفضة، يتصرف الوتر مثل الجسيم، وفي الطاقات العالية، يجب إدخال المعلمات التي تميز اهتزازه في وصف حركة الوتر. تبين أن الجانب الرياضي لنظرية الأوتار الفائقة أبسط من النظرية القياسية: حيث تختفي اللانهائيات غير المرغوب فيها. إحدى النتائج الكونية المهمة لنظرية الأوتار الفائقة هي إمكانية تعدد الأكوان، ولكل منها مجموعته الخاصة من التفاعلات الأساسية.

لذا، دعونا نلخص بعض النتائج. بدأ توحيد التفاعلات الأساسية بشكل أساسي في القرن التاسع عشر. من تركيب الكهرباء والمغناطيسية في نظرية ماكسويل للمجال الكهرومغناطيسي. فشلت محاولات تجميع الجاذبية والكهرومغناطيسية التي قام بها أ. أينشتاين في "نظرية المجال الموحد". لكن التوحيد النظري للتفاعلات الضعيفة والكهرومغناطيسية حصل على تأكيد موثوق به في عام 1983 بفضل الاكتشاف التجريبي لبوزونات W وZ. لا يوجد دليل قوي يؤكد التوحيد العظيم (اضمحلال البروتون، وجود أحادي القطب المغناطيسي)، لكنها متوقعة. برنامج الجاذبية الفائقة مثال ساطعكيف يمكن للنظرية أن تتفوق بشكل كبير على الممارسة والخبرة والإمكانيات التجريبية. ولكن حتى هنا يمكننا أن نتوقع إثباتات تجريبية غير مباشرة لنماذج الجاذبية الفائقة من خلال بيانات من علم الفلك خارج المجرة، والفيزياء الفلكية، وعلم الكونيات. وهكذا فإن الفيزياء على أعتاب خلق نظرية موحدة للمادة، أي نظرية موحدة للمادة. جميع التفاعلات الأساسية (المجالات) وبنية المادة. من الممكن أن يكون ذلك بالفعل في النصف الأول من القرن الحادي والعشرين. سيتم حل هذه المهمة الأعظم في تاريخ العلم بأكمله. بمعنى ما، هذا يعني النهاية العلم الفيزيائيكمعرفة المبادئ الأساسية للمادة.

صحيح أنه لا تزال هناك العديد من المشاكل الخطيرة التي يتعين حلها على هذا الطريق. وبالتالي، نحن بحاجة إلى التحقق من وجود عدد من الجسيمات الأولية التي تنبأت بها النظرية الحديثة (بوزونات هيغز في المقام الأول). بالإضافة إلى ذلك، يجب إنشاء نظرية الكم للجاذبية، والتي بدونها يكون تنفيذ برنامج التناظر الفائق مستحيلا. فقط من خلال إنشاء نظرية الكم للجاذبية، على ما يبدو، سيكون من الممكن الإجابة على الأسئلة التالية: لماذا يكون فضاءنا ثلاثي الأبعاد والوقت أحادي البعد؟ لماذا توجد أربعة تفاعلات أساسية فقط، وهي التفاعلات التي لدينا بالضبط؟ لماذا حصلنا على هذه المجموعة من الجسيمات الأولية بالضبط؟ كيف يتم تحديد كتلة الجسيمات الأولية؟ لماذا تمتلك الثوابت العالمية هذه القيم بالضبط دون غيرها؟ لماذا توجد شحنة كهربائية أولية في الطبيعة وعلى ماذا يعتمد حجمها؟ لماذا كتلة النيوترينو صغيرة جدًا؟ وإلخ.

سيعتمد الكثير في حل هذه المشكلات على إمكانيات التجارب في مجال فيزياء الجسيمات الأولية. المسرعات الحالية (المصادمات)، حيث تتصادم مجموعات من الجسيمات الأولية (الإلكترونات والبروتونات وغيرها) تجاه بعضها البعض، توفر طاقة التصادم

جسيمات حوالي 200 GeV. تتم مناقشة مشاريع المسرعات التي تزيد هذه الطاقة بمقدار 2-3 أوامر من حيث الحجم. لكن الإمكانيات التقنية هنا ليست غير محدودة. زيادة الطاقة تتطلب خلق مجالات طاقة قوية. وهناك حد لهذا، لأنه جدا حقول قويةسوف يدمر ذرات أي مادة. وهذا يعني أنه في مثل هذا المجال سوف يدمر المسرع نفسه! حاليًا، تتم مناقشة المشاريع لإنشاء مسرعات باستخدام تقنية النانو، والتي تتيح إمكانية تجديد خلايا المواد التي دمرها مجال كهرومغناطيسي قوي بسرعة. إن تنفيذ مثل هذا البرنامج، إذا كان ممكنا على الإطلاق، هو مسألة مستقبل بعيد للغاية. صحيح أنه لا يزال من الممكن دراسة الأشعة الكونية (تدفقات النيوترينو، والغرافيتونات، وما إلى ذلك) ذات الطاقة العالية. للقيام بذلك، عليك أن تتعلم كيفية تسجيلها بثقة. ومع ذلك، لا يمكن استبعاد الخيارات الأخرى لتطوير الفيزياء في القرن الحادي والعشرين. يجب أن يكون العلم جاهزًا دائمًا للتحولات الثورية. وبالتالي، على سبيل المثال، فإن اكتشاف تفاعلات أساسية جديدة، وجسيمات تحت الكواركات، وما إلى ذلك، قد يتطلب مراجعة جذرية للفيزياء الحديثة (النسبية والكمية)، مما يضع على جدول الأعمال مسألة إنشاء "فيزياء جديدة" بشكل أساسي. المنطقة التي يتبين أن العالم الصغير فيها متصل بالعالم الكبير، والصغير جدًا مع الكبير جدًا، والجسيم الأولي مع الكون ككل، والفيزياء مع علم الفلك تجلب الكثير من الأشياء غير العادية وغير المتوقعة إلى معرفة العالم المادي.
.

لفهم ما إذا كان الأمر يستحق الاستمرار في كتابة رسومات قصيرة تشرح الاختلاف حرفيًا الظواهر الفيزيائيةوالعمليات. والنتيجة بددت شكوكي. سأستمر. ولكن من أجل التعامل مع الظواهر المعقدة إلى حد ما، سيتعين عليك إنشاء سلسلة متسلسلة منفصلة من المشاركات. لذلك، من أجل الوصول إلى قصة بنية وتطور الشمس وأنواع النجوم الأخرى، سيتعين عليك البدء بوصف أنواع التفاعل بين الجسيمات الأولية. لنبدأ بهذا. لا الصيغ.
في المجمل، هناك أربعة أنواع من التفاعلات معروفة في الفيزياء. الجميع معروف جيدا الجاذبيةو الكهرومغناطيسي. وغير معروف تقريبا لعامة الناس قويو ضعيف. دعونا وصفها بالتسلسل.
تفاعل الجاذبية . لقد عرفها الناس منذ القدم. لأنه موجود باستمرار في مجال جاذبية الأرض. و من الفيزياء المدرسيةنحن نعلم أن قوة تفاعل الجاذبية بين الأجسام تتناسب طرديا مع حاصل ضرب كتلتها وتتناسب عكسيا مع مربع المسافة بينهما. تحت تأثير قوة الجاذبية، يدور القمر حول الأرض، والأرض والكواكب الأخرى حول الشمس، والأخيرة مع النجوم الأخرى حول مركز مجرتنا.
إن الانخفاض البطيء إلى حد ما في قوة تفاعل الجاذبية مع المسافة (الذي يتناسب عكسيا مع مربع المسافة) يجبر الفيزيائيين على التحدث عن هذا التفاعل على أنه طويلة المدى. بالإضافة إلى ذلك، فإن قوى تفاعل الجاذبية المؤثرة بين الأجسام ليست سوى قوى جذب.
التفاعل الكهرومغناطيسي . في أبسط حالات التفاعل الكهروستاتيكي، كما نعلم من الفيزياء المدرسية، فإن قوة التجاذب أو التنافر بين الجسيمات المشحونة كهربائيًا تتناسب طرديًا مع حاصل ضرب شحناتها الكهربائية، وتتناسب عكسيًا مع مربع المسافة بينهما. وهو مشابه جدًا لقانون تفاعل الجاذبية. والفرق الوحيد هو أن الشحنات الكهربائية التي لها نفس الإشارات تتنافر، وتلك التي لها إشارات مختلفة تتجاذب. ولذلك فإن التفاعل الكهرومغناطيسي، مثل تفاعل الجاذبية، يسميه الفيزيائيون طويلة المدى.
وفي الوقت نفسه، يعد التفاعل الكهرومغناطيسي أكثر تعقيدًا من تفاعل الجاذبية. نعلم من الفيزياء المدرسية أن المجال الكهربائي ينشأ عن شحنات كهربائية، والشحنات المغناطيسية لا وجود لها في الطبيعة، وإنما ينشأ المجال المغناطيسي التيارات الكهربائية.
في الواقع، يمكن أيضًا إنشاء مجال كهربائي عن طريق مجال مغناطيسي متغير بمرور الوقت، ويمكن أيضًا إنشاء مجال مغناطيسي عن طريق مجال مغناطيسي متغير بمرور الوقت الحقل الكهربائي. الظرف الأخير يجعل من الممكن الوجود حقل كهرومغناطيسيدون أي شحنات أو تيارات كهربائية على الإطلاق. ويتحقق هذا الاحتمال على شكل موجات كهرومغناطيسية. على سبيل المثال، موجات الراديو والكميات الضوئية.
ونظرًا لأن القوى الكهربائية وقوى الجاذبية تعتمدان بشكل متساوٍ على المسافة، فمن الطبيعي محاولة مقارنة شدتها. إذن، بالنسبة لبروتونين بقوة جاذبية الجاذبيةوتبين أنها أضعف بمقدار 10 أس 36 مرة (مليار مليار مليار مليار مرة) من قوى التنافر الكهروستاتيكي. لذلك، في فيزياء العالم الصغير، يمكن إهمال تفاعل الجاذبية بشكل معقول.
تفاعل قوي . هذا - مدى قصيرقوة. بمعنى أنها تعمل على مسافات تبلغ حوالي فيمتومتر واحد فقط (واحد على تريليون من المليمتر)، وعلى مسافات كبيرة لا يكون تأثيرها محسوسًا عمليًا. علاوة على ذلك، على مسافات تصل إلى مقياس فيمتومتر واحد، يكون التفاعل القوي أقوى بحوالي مائة مرة من التفاعل الكهرومغناطيسي.
ولهذا السبب لا يتم صد البروتونات المشحونة كهربائيًا بشكل متساوٍ في النواة الذرية عن بعضها البعض بواسطة القوى الكهروستاتيكية، ولكنها تتماسك معًا من خلال تفاعلات قوية. لأن أبعاد البروتون والنيوترون تبلغ حوالي فيمتوميتر واحد.
التفاعل ضعيف . انها حقا ضعيفة جدا. أولاً، يعمل على مسافات أصغر بألف مرة من الفيمتومتر الواحد. وعلى مسافات طويلة لا يشعر بها عمليا. لذلك، مثل القوي، ينتمي إلى الفصل مدى قصير. ثانيا، شدتها أقل بنحو مائة مليار مرة من شدة التفاعل الكهرومغناطيسي. القوة الضعيفة مسؤولة عن اضمحلال بعض الجسيمات الأولية. بما في ذلك النيوترونات الحرة.
هناك نوع واحد فقط من الجسيمات الذي يتفاعل مع المادة فقط من خلال التفاعل الضعيف. هذا نيوترينو. يمر ما يقرب من مائة مليار نيوترينو شمسي عبر كل سنتيمتر مربع من جلدنا كل ثانية. ونحن لا نلاحظهم على الإطلاق. بمعنى أنه خلال حياتنا، من غير المرجح أن يتفاعل عدد قليل من النيوترينوات مع مادة جسمنا.
لن نتحدث عن النظريات التي تصف كل هذه الأنواع من التفاعلات. لأن ما يهمنا هو صورة عالية الجودة للعالم، وليس مباهج المنظرين.

لقد سعى الإنسان لفترة طويلة إلى معرفة وفهم العالم المادي من حوله. لقد اتضح أن كل التنوع اللانهائي للعمليات الفيزيائية التي تحدث في عالمنا يمكن تفسيره بوجود عدد صغير جدًا من التفاعلات الأساسية في الطبيعة. يفسر تفاعلهم مع بعضهم البعض الترتيب المنظم للأجرام السماوية في الكون. إنها "العناصر" التي تحرك الأجرام السماوية، وتولد الضوء وتجعل الحياة نفسها ممكنة (انظر. طلب ).
وهكذا فإن جميع العمليات والظواهر في الطبيعة، سواء سقوط تفاحة، أو انفجار سوبر نوفا، أو قفز البطريق، أو التحلل الإشعاعي للمواد، تحدث نتيجة لهذه التفاعلات.
هيكل مادة هذه الأجسام مستقر بسبب الروابط بين الجزيئات المكونة لها.

1. أنواع التفاعلات

على الرغم من أن المادة تحتوي على عدد كبير من الجسيمات الأولية، إلا أنه لا يوجد سوى أربعة أنواع من التفاعلات الأساسية بينها: الجاذبية، والضعيفة، والكهرومغناطيسية، والقوية.
الأكثر شمولا هو الجاذبية تفاعل . تخضع له جميع التفاعلات المادية دون استثناء - سواء الجزيئات الدقيقة أو الأجسام الكبيرة. وهذا يعني أن جميع الجسيمات الأولية تشارك فيه. يتجلى في شكل الجاذبية العالمية. جاذبية (من اللاتينية Gravitas - الثقل) يتحكم في معظم العمليات العالمية في الكون، على وجه الخصوص، يضمن بنية واستقرار كوكبنا. النظام الشمسي. وبحسب المفاهيم الحديثة فإن كل تفاعل من التفاعلات ينشأ نتيجة لتبادل جزيئات تسمى حاملات هذا التفاعل. يتم تفاعل الجاذبية من خلال التبادل الجرافيتونات .
مثل الجاذبية، فهي طويلة المدى بطبيعتها: يمكن للقوى المقابلة أن تظهر نفسها على مسافات كبيرة جدًا. يتم وصف التفاعل الكهرومغناطيسي بشحنات من نوع واحد (كهربائي)، ولكن يمكن أن تحتوي هذه الرسوم بالفعل على علامتين - إيجابية وسلبية. على عكس الجاذبية، يمكن للقوى الكهرومغناطيسية أن تكون قوى جاذبة وتنافرية. يتم تحديد الخواص الفيزيائية والكيميائية لمختلف المواد والمواد والأنسجة الحية نفسها من خلال هذا التفاعل. كما أنه يشغل جميع المعدات الكهربائية والإلكترونية، مثل. يربط فقط الجسيمات المشحونة مع بعضها البعض. تسمى نظرية التفاعل الكهرومغناطيسي في الكون الكبير بالديناميكا الكهربائية الكلاسيكية.
التفاعل ضعيف أقل شهرة في الخارج دائرة ضيقةعلماء الفيزياء والفلك، ولكن هذا لا ينتقص من أهميته بأي حال من الأحوال. ويكفي أن نقول أنه لولا وجودها لانطفئت الشمس وغيرها من النجوم، ففي التفاعلات التي تضمن توهجها يلعب التفاعل الضعيف دوراً مهماً جداً. التفاعل الضعيف قصير المدى: نصف قطره أصغر بحوالي 1000 مرة من نصف قطر القوى النووية.
تفاعل قوي - الأقوى من بين الآخرين. فهو يحدد الاتصالات فقط بين الهادرونات. القوى النووية المؤثرة بين النيوكليونات في النواة الذرية هي مظهر من مظاهر هذا النوع من التفاعل. وهي أقوى بنحو 100 مرة من الطاقة الكهرومغناطيسية. على عكس الأخير (والجاذبية أيضًا)، فهو أولاً قصير المدى على مسافة أكبر من 10-15 مترًا (حسب حجم النواة)، وتتوقف القوى المقابلة بين البروتونات والنيوترونات، والتي تتناقص بشكل حاد، لربطهم ببعضهم البعض. ثانيًا، لا يمكن وصفها بشكل مرضي إلا من خلال ثلاث شحنات (ألوان) تشكل مجموعات معقدة.
يعرض الجدول 1 تقريبًا أهم الجسيمات الأولية التي تنتمي إلى المجموعات الرئيسية (الهدرونات، واللبتونات، وحاملات التفاعل).

الجدول 1

مشاركة الجزيئات الأولية الأساسية في التفاعلات

إن أهم خاصية للتفاعل الأساسي هي نطاق عمله. نصف قطر العمل هو أقصى مسافة بين الجزيئات، والتي يمكن بعدها إهمال تفاعلها (الجدول 2). في دائرة نصف قطرها صغيرة يسمى التفاعل قليل الفعالية ، مع كبير - طويلة المدى .

الجدول 2

الخصائص الرئيسية للتفاعلات الأساسية

التفاعلات القوية والضعيفة قصيرة المدى . تتناقص شدتها بسرعة مع زيادة المسافة بين الجزيئات. وتحدث مثل هذه التفاعلات على مسافة قصيرة، لا يمكن إدراكها بالحواس. ولهذا السبب، تم اكتشاف هذه التفاعلات في وقت متأخر عن غيرها (فقط في القرن العشرين) باستخدام المعقد المرافق التجريبية. التفاعلات الكهرومغناطيسية والجاذبية طويلة المدى . تتناقص هذه التفاعلات ببطء مع زيادة المسافة بين الجسيمات وليس لها نطاق محدود من الحركة.

2. التفاعل كعلاقة بين هياكل المادة

في النواة الذرية، يتم تحديد الرابطة بين البروتونات والنيوترونات تفاعل قوي . إنه يوفر قوة أساسية استثنائية، والتي تكمن وراء استقرار المادة في ظل الظروف الأرضية.

التفاعل ضعيف أقل كثافة بمليون مرة من القوية. إنه يعمل بين معظم الجزيئات الأولية الموجودة على مسافة أقل من 10-17 مترًا عن بعضها البعض. التفاعل ضعيفيتم تحديد التحلل الإشعاعي لليورانيوم وتفاعلات الاندماج النووي الحراري في الشمس. كما تعلمون، فإن إشعاع الشمس هو المصدر الرئيسي للحياة على الأرض.

التفاعل الكهرومغناطيسي كونه طويل المدى، يحدد بنية المادة خارج نطاق التفاعل القوي. تربط القوة الكهرومغناطيسية الإلكترونات والنوى في الذرات والجزيئات. فهو يجمع الذرات والجزيئات في مواد مختلفة، يحدد العمليات الكيميائية والبيولوجية. ويتميز هذا التفاعل بقوى المرونة والاحتكاك واللزوجة والقوى المغناطيسية. على وجه الخصوص، يؤدي التنافر الكهرومغناطيسي للجزيئات الموجودة على مسافات قصيرة إلى قوة رد فعل أرضية، ونتيجة لذلك، على سبيل المثال، لا نسقط عبر الأرض. ليس للتفاعل الكهرومغناطيسي تأثير كبير على الحركة المتبادلة للأجسام العيانية كتلة كبيرة، حيث أن كل جسم متعادل كهربائيا، أي. أنه يحتوي على أعداد متساوية تقريبا من الشحنات الإيجابية والسلبية.

تفاعل الجاذبية يتناسب طرديا مع كتلة الأجسام المتفاعلة. نظرا للكتلة الصغيرة من الجزيئات الأولية، فإن تفاعل الجاذبية بين الجزيئات صغير مقارنة بأنواع التفاعل الأخرى، وبالتالي، في عمليات العالم الصغير، يكون هذا التفاعل ضئيلا. ومع زيادة كتلة الأجسام المتفاعلة (أي مع زيادة عدد الجسيمات التي تحتوي عليها)، فإن تفاعل الجاذبية بين الأجسام يزداد بما يتناسب طرديا مع كتلتها. في هذا الصدد، في الكون الكبير، عند النظر في حركة الكواكب والنجوم والمجرات، وكذلك حركة الأجسام العيانية الصغيرة في مجالاتها، يصبح تفاعل الجاذبية حاسما. فهو يحمل الغلاف الجوي والبحار وكل شيء حي وغير حي على الأرض، الأرض تدور في مدار حول الشمس، والشمس داخل المجرة. يلعب تفاعل الجاذبية دورًا رئيسيًا في تكوين النجوم وتطورها. تم تصوير التفاعلات الأساسية للجسيمات الأولية باستخدام مخططات خاصة، حيث يتوافق الجسيم الحقيقي مع خط مستقيم، ويتم تصوير تفاعله مع جسيم آخر إما بخط منقط أو منحنى (الشكل 1).

مخططات تفاعلات الجسيمات الأولية

يتم باستمرار تحسين المفاهيم الفيزيائية الحديثة للتفاعلات الأساسية. في عام 1967 شيلدون جلاشو, عبد السلامو ستيفن واينبرغابتكر نظرية مفادها أن التفاعلات الكهرومغناطيسية والضعيفة هي مظهر من مظاهر تفاعل كهروضعيف واحد. إذا كانت المسافة من الجسيم الأولي أقل من نصف قطر عمل القوى الضعيفة (10-17 م)، فإن الفرق بين التفاعلات الكهرومغناطيسية والضعيفة يختفي. وهكذا انخفض عدد التفاعلات الأساسية إلى ثلاثة.

نظرية "التوحيد العظيم".
اقترح بعض الفيزيائيين، على وجه الخصوص، G. Georgi و S. Glashow، أنه أثناء الانتقال إلى الطاقات الأعلى، يجب أن يحدث اندماج آخر - توحيد التفاعل الكهربائي الضعيف مع القوي. تسمى المخططات النظرية المقابلة نظرية “التوحيد الكبير”. ويتم حاليا اختبار هذه النظرية تجريبيا. ووفقا لهذه النظرية التي تجمع بين التفاعلات القوية والضعيفة والكهرومغناطيسية، هناك نوعان فقط من التفاعلات: التفاعلات الموحدة والجاذبية. من الممكن أن تكون التفاعلات الأربعة جميعها مجرد مظاهر جزئية لتفاعل واحد. يتم أخذ مقدمات هذه الافتراضات بعين الاعتبار عند مناقشة نظرية أصل الكون (نظرية الانفجار الكبير). نظرية " الانفجار العظيميشرح كيف أدى اتحاد المادة والطاقة إلى ولادة النجوم والمجرات.