Това е третото фундаментално взаимодействие, съществуващо само в микрокосмоса. Той е отговорен за трансформацията на някои фермионни частици в други, докато цветът на слабо взаимодействащите пептони и кварки не се променя. Типичен пример за слабо взаимодействие е процесът на бета-разпад, при който свободният неутрон се разпада на протон, електрон и електронно антинеутрино средно за 15 минути. Разпадът се причинява от трансформацията на кварк с вкус d в кварк с вкус u вътре в неутрона. Излъченият електрон осигурява запазването на общия електрически заряд, а антинеутриното позволява запазването на общия механичен импулс на системата.
Силно взаимодействие
Главна функция силно взаимодействие- комбинирайте кварки и антикварки в адрони. Теорията за силните взаимодействия е в процес на създаване. Това е типична теория на полето и се нарича квантова хромодинамика. Неговата отправна точка е постулатът за съществуването на три вида цветни заряди (червен, син, зелен), изразяващи присъщата способност на материята да обединява кварки в силно взаимодействие. Всеки от кварките съдържа някаква комбинация от такива заряди, но тяхната пълна взаимна компенсация не се случва и кваркът има резултатен цвят, тоест запазва способността си да взаимодейства силно с други кварки. Но когато три кварка или кварк и антикварк се комбинират, за да образуват адрон, нетната комбинация от цветни заряди в него е такава, че адронът като цяло е цветово неутрален. Цветните заряди създават полета с присъщите им кванти - бозони. Обменът на виртуални цветни бозони между кварки и/или антикварки служи като материална основа за силното взаимодействие. Преди откриването на кварките и цветовите взаимодействия ядрената сила, която обединява протоните и неутроните в ядрата на атомите, се смяташе за фундаментална. С откриването на кварковото ниво на материята, силното взаимодействие започва да се разбира като цветови взаимодействия между кварките, комбиниращи се в адрони. Ядрените сили вече не се считат за фундаментални; те трябва по някакъв начин да бъдат изразени чрез цветни сили. Но това не е лесно да се направи, тъй като барионите (протони и неутрони), които изграждат ядрото, обикновено са неутрални по цвят. По аналогия можем да си припомним, че атомите като цяло са електрически неутрални, но на молекулярно ниво се появяват химически сили, разглеждани като ехо на електрически атомни сили.
Разгледаните четири типа фундаментални взаимодействия лежат в основата на всички други известни форми на движение на материята, включително тези, които са възникнали на по-високи ниваразвитие. Всякакви сложни формидвиженията, когато се разложат на структурни компоненти, се разкриват като сложни модификации на тези фундаментални взаимодействия.
2. Развитие на научни възгледи за взаимодействието на частиците преди еволюционното създаване на теорията за „Голямото обединение“
Теорията за "великото обединение" е теория, която обединява електромагнитни, силни и слаби взаимодействия. Споменавайки теорията за „Великото обединение“, ние говорим за факта, че всички сили, които съществуват в природата, са проява на една универсална фундаментална сила. Има редица съображения, които дават основание да се смята, че в момента на Големия взрив, който е родил нашата Вселена, е съществувала само тази сила. С течение на времето обаче Вселената се разшири, което означава, че се охлади и единичната сила се раздели на няколко различни, които сега наблюдаваме. Теорията за "великото обединение" би описала електромагнитните, силните, слабите и гравитационните сили като проявления на една универсална сила. Вече има известен напредък: учените успяха да изградят теория, която комбинира електромагнитни и слаби взаимодействия. Основната работа по теорията за „Великото обединение“ обаче все още предстои.
Съвременната физика на елементарните частици е принудена да обсъжда въпроси, които всъщност са вълнували древните мислители. Какъв е произходът на частиците и химическите атоми, изградени от тези частици? И как Космосът, видимата за нас Вселена, може да бъде изграден от частици, независимо как ги наричаме? И още – създадена ли е Вселената или съществува от вечността? Ако някой може да попита това, какви са пътищата на мисълта, които могат да доведат до убедителни отговори? Всички тези въпроси са подобни на търсенето на истинските принципи на съществуване, въпроси за природата на тези принципи.
Каквото и да говорим за Космоса, едно е ясно, че всичко в естествен святпо един или друг начин се състои от частици. Но как да разберем тази композиция? Известно е, че частиците си взаимодействат – те се привличат или отблъскват. Физиката на елементарните частици изучава различни взаимодействия. [Попър К. За източниците на знание и невежество // Vopr. история на естествените науки и техниката, 1992, № 3, с. 32.]
Електромагнитното взаимодействие привлича особено внимание през 18-19 век. Бяха открити прилики и разлики между електромагнитните и гравитационните взаимодействия. Подобно на гравитацията, електромагнитните сили са обратно пропорционални на квадрата на разстоянието. Но за разлика от гравитацията, електромагнитната „гравитация“ не само привлича частици (различни знаци на заряд), но и ги отблъсква една от друга (равно заредени частици). И не всички частици са носители на електрически заряд. Например фотонът и неутронът са неутрални в това отношение. През 50-те години години XIX V. електромагнитната теория на Д. С. Максуел (1831–1879) обединява електрически и магнитни явленияи по този начин изясни действието на електромагнитните сили. [Grünbaum A. Произход срещу творение във физическата космология (теологични изкривявания на съвременната физическа космология). – Въпрос. Философия, 1995, № 2, с. 19.]
Изследването на явленията на радиоактивността доведе до откритието специален видвзаимодействие между частиците, което се нарича слабо взаимодействие. Тъй като това откритие е свързано с изследването на бета радиоактивността, това взаимодействие може да се нарече бета разпад. Във физическата литература обаче е обичайно да се говори за слабо взаимодействие - то е по-слабо от електромагнитното взаимодействие, макар и много по-силно от гравитационното взаимодействие. Откритието е улеснено от изследванията на В. Паули (1900–1958), който прогнозира, че по време на бета-разпада се освобождава неутрална частица, компенсираща очевидното нарушение на закона за запазване на енергията, наречено неутрино. И в допълнение, откриването на слаби взаимодействия беше улеснено от изследванията на Е. Ферми (1901–1954), който, заедно с други физици, предположи, че електроните и неутриното, преди да излязат от радиоактивното ядро, не съществуват в ядро, така да се каже, в готов вид, но се образуват в процеса на излъчване. [Grünbaum A. Произход срещу творение във физическата космология (теологични изкривявания на съвременната физическа космология). – Въпрос. Философия, 1995, № 2, с. 21.]
И накрая, четвъртото взаимодействие се оказа свързано с вътрешноядрени процеси. Наричано силно взаимодействие, то се проявява като привличане на вътрешноядрени частици – протони и неутрони. Поради големите си размери, той се оказва източник на огромна енергия.
Изследването на четирите типа взаимодействия следва пътя на търсене на тяхната дълбока връзка. По този неясен, до голяма степен тъмен път, само принципът на симетрията ръководеше изследването и доведе до идентифицирането на предполагаемата връзка различни видовевзаимодействия.
За да се идентифицират такива връзки, беше необходимо да се обърнем към търсенето на специален тип симетрии. Прост примерТози тип симетрия може да бъде представен чрез зависимостта на извършената работа при повдигане на товар от височината на повдигане. Изразходваната енергия зависи от разликата във височината, но не зависи от характера на пътя на изкачване. Значителна е само разликата във височината и няма абсолютно никакво значение от какво ниво започваме измерването. Можем да кажем, че тук имаме работа със симетрия по отношение на избора на произход.
По подобен начин можете да изчислите енергията на движение на електрически заряд в електрическо поле. Аналогът на височината тук ще бъде напрежението на полето или, с други думи, електрически потенциал. Енергията, изразходвана по време на движение на заряда, ще зависи само от потенциалната разлика между крайната и началната точка в пространството на полето. Тук имаме работа с така наречената габаритна или с други думи мащабна симетрия. Посочена калибровъчна симетрия електрическо поле, е тясно свързано със закона за запазване на електрическия заряд.
Калибровъчната симетрия се оказва най-важният инструмент, даващ възможност за разрешаване на много трудности в теорията на елементарните частици и в многобройните опити за обединяване на различни видове взаимодействия. IN квантова електродинамика, например, възникват различни разминавания. Възможно е да се елиминират тези различия поради факта, че така наречената процедура на пренормиране, която елиминира трудностите на теорията, е тясно свързана с калибровъчната симетрия. Появява се идеята, че трудностите при изграждането на теория не само за електромагнитните, но и за други взаимодействия могат да бъдат преодолени, ако могат да бъдат открити други, скрити симетрии.
Калибровната симетрия може да придобие обобщен характер и може да се припише на всяко силово поле. В края на 60-те години на ХХ в. С. Вайнберг (р. 1933 г.) от Харвардски университети А. Салам (р. 1926 г.) от Имперския колеж в Лондон, опирайки се на работата на С. Глашоу (р. 1932 г.), предприемат теоретично обединяване на електромагнитните и слабите взаимодействия. Те използваха идеята за калибровъчна симетрия и концепцията за калибровъчно поле, свързана с тази идея. [Якушев A. S. Основни понятия на съвременната естествознание. – М., Факт-М, 2001, с. 29.]
Приложимо за електромагнитно взаимодействие най-простата формакалибровъчна симетрия. Оказа се, че симетрията на слабото взаимодействие е по-сложна от тази на електромагнитното взаимодействие. Тази сложност се дължи на сложността на самия процес, така да се каже, на механизма на слабо взаимодействие.
В процеса на слабо взаимодействие, например, възниква разпадането на неутрон. В този процес могат да участват частици като неутрон, протон, електрон и неутрино. Освен това, поради слабо взаимодействие, възниква взаимна трансформация на частиците.
Концептуални положения на теорията за "великото обединение"
В модерните теоретична физикаТонът се задава от две нови концептуални схеми: така наречената теория за „великото обединение“ и суперсиметрията.
Тези научни тенденции заедно водят до една много привлекателна идея, според която цялата природа в крайна сметка е подчинена на действието на някаква суперсила, проявяваща се в различни „образи“. Тази сила е достатъчно мощна, за да създаде нашата Вселена и да я дари със светлина, енергия, материя и да й придаде структура. Но суперсилата е нещо повече от творческа сила. В него материята, пространство-времето и взаимодействието се сливат в неразривно хармонично цяло, генерирайки такова единство на Вселената, каквото никой досега не си е представял. Целта на науката по същество е търсенето на такова единство. [Овчинников Н.Ф. Структура и симетрия // Системни изследвания, М., 1969, стр. 137.]
Въз основа на това съществува известна увереност в обединяването на всички явления на живата и неживата природа в рамките на единна описателна схема. Днес са известни четири фундаментални взаимодействия или четири сили в природата, отговорни за всички известни взаимодействия на елементарните частици - силни, слаби, електромагнитни и гравитационни взаимодействия. Силните взаимодействия свързват кварките заедно. Слабите взаимодействия са отговорни за някои видове ядрен разпад. Електромагнитните сили действат между електрическите заряди, а гравитационните сили действат между масите. Наличието на тези взаимодействия е достатъчно и необходимо условие за изграждане на света около нас. Например, без гравитацията не само нямаше да има галактики, звезди и планети, но и Вселената не би могла да възникне - в края на краищата, самите концепции за разширяващата се Вселена и Големия взрив, от които произлиза пространство-времето, се основават върху гравитацията. Без електромагнитни взаимодействия нямаше да има атоми, химия или биология, нито слънчева топлина или светлина. Без силни ядрени взаимодействия не биха съществували ядра и следователно атоми и молекули, химия и биология не биха съществували, а звездите и Слънцето не биха могли да генерират топлина и светлина, използвайки ядрена енергия.
Дори слабите ядрени взаимодействия играят роля във формирането на Вселената. Без тях ядрените реакции в Слънцето и звездите биха били невъзможни; очевидно нямаше да възникнат експлозии на свръхнови и тежките елементи, необходими за живота, не биха могли да се разпространят във Вселената. Животът може и да не е възникнал. Ако се съгласим с мнението, че всички тези четири са напълно различни взаимодействия, всеки от които е необходим по свой начин за появата сложни структурии определящи еволюцията на цялата Вселена са генерирани от една проста суперсила, тогава наличието на един единствен фундаментален закон, действащ както в живота, така и в нежива природа, няма съмнение. Съвременните изследвания показват, че тези четири сили някога може да са били комбинирани в една.
Това беше възможно при огромните енергии, характерни за ерата на ранната Вселена малко след това голям взрив. Всъщност теорията за обединяването на електромагнитните и слабите взаимодействия вече е потвърдена експериментално. Теориите за „Голямото обединение“ трябва да комбинират тези взаимодействия със силните, а теориите за „Всичко, което е“ трябва да обединят всички четири фундаментални взаимодействия като проявления на едно взаимодействие. Топлинна история на Вселената, започваща от 10–43 сек. след Големия взрив до наши дни, показва това повечето отхелий-4, хелий-3, дейтрони (ядра на деутерий – тежък изотоп на водорода) и литий-7 са се образували във Вселената приблизително 1 минута след Големия взрив.
По-тежки елементи са се появили в звездите десетки милиони или милиарди години по-късно и появата на живот съответства на последния етап от развиващата се Вселена. Въз основа на теоретичния анализ и резултатите от компютърното моделиране на дисипативни системи, работещи далеч от равновесие, под действието на кодово-честотен нискоенергиен поток, стигнахме до заключението, че във Вселената протичат два паралелни процеса - ентропия и информация. Освен това ентропийният процес на превръщане на материята в радиация не е доминиращ. [Солдатов В. К. Теория на „Великото обединение”. – М., Послепис, 2000, стр. 38.]
При тези условия възниква нов тип еволюционна самоорганизация на материята, свързваща кохерентното пространствено-времево поведение на системата с динамичните процеси в самата система. Тогава в мащаба на Вселената този закон ще бъде формулиран по следния начин: „Ако Големият взрив е довел до образуването на 4 фундаментални взаимодействия, то по-нататъшното развитие на пространствено-времевата организация на Вселената е свързано с тяхното обединяване. ” Така според нас законът за нарастващата ентропия трябва да се прилага не към отделни части на Вселената, а към целия процес на нейната еволюция. В момента на формирането си Вселената се оказа квантована по йерархични нива на пространство-време, всяко от които съответства на едно от фундаменталните взаимодействия. Възникналата флуктуация, възприемана като разширяваща се картина на Вселената, в определен момент започва да възстановява своето равновесие. Процесът на по-нататъшна еволюция протича в огледален образ.
С други думи, два процеса се случват едновременно в наблюдаваната Вселена. Единият процес - антиентропията - е свързан с възстановяването на нарушеното равновесие чрез самоорганизацията на материята и излъчването в макроквантови състояния (като физически примерможем да цитираме такива добре известни състояния на материята като свръхфлуидност, свръхпроводимост и квантовия ефект на Хол). Този процес, очевидно, определя последователната еволюция на процесите термоядрен синтезв звездите, образуването на планетарни системи, минерали, флора, едноклетъчни и многоклетъчни организми. Това автоматично следва самоорганизиращата се ориентация на третия принцип на прогресивната еволюция на живите организми.
Другият процес е чисто ентропичен по природа и описва процесите на цикличен еволюционен преход на самоорганизиращата се материя (разпад – самоорганизация). Възможно е тези принципи да послужат като основа за създаване на математически апарат, който прави възможно комбинирането на четирите взаимодействия в една суперсила. Както вече беше отбелязано, това е проблемът, с който в момента са заети повечето физици-теоретици. По-нататъшната аргументация на този принцип далеч надхвърля обхвата на тази статия и е свързана с изграждането на теорията за еволюционната самоорганизация на Вселената. Затова нека направим основния извод и да видим доколко той е приложим към биологичните системи, принципите на техния контрол и най-важното към новите технологии за лечение и профилактика на патологични състояния на тялото. На първо място, ще се интересуваме от принципите и механизмите за поддържане на самоорганизацията и еволюцията на живите организми, както и от причините за техните нарушения, проявяващи се под формата на всички видове патологии.
Първият от тях е принципът на кодово-честотния контрол, чиято основна цел е да поддържа, синхронизира и контролира енергийните потоци във всяка отворена самоорганизираща се дисипативна система. Прилагането на този принцип за живите организми изисква наличието на всяко структурно йерархично ниво на биологичен обект (молекулярно, субклетъчно, клетъчно, тъканно, органоидно, организмово, популационно, биоценотично, биотично, ландшафтно, биосферно, космическо) наличие на биоритмологичен процес свързана с потреблението и потреблението на преобразуваната енергия, което определя активността и последователността на процесите в системата. Този механизъм заема централно място в ранните етапи от възникването на живота в процесите на формиране на структурата на ДНК и принципа на редупликация на дискретни кодове на наследствена информация, както и в процеси като клетъчно делене и последваща диференциация. Както знаете, процесът на клетъчно делене винаги протича в строга последователност: профаза, метафаза, телофаза и след това анафаза. Можете да нарушите условията на разделяне, да се намесите в него, дори да премахнете ядрото, но последователността винаги ще бъде запазена. Без съмнение нашето тяло е оборудвано с най-съвършените синхронизатори: нервна система, която е чувствителна към най-малките промени във външните и вътрешна среда, по-бавно хуморална система. В същото време ресничестият чехъл, при пълна липса на нервна и хуморална система, живее, храни се, отделя, възпроизвежда и всички тези сложни процеси не се случват хаотично, а в строга последователност: всяка реакция предопределя следващата, и това от своя страна освобождава продукти, които са необходими за започване на следващата реакция. [Солдатов В.К. – М., Послепис, 2000 г., стр. 59.]
Трябва да се отбележи, че теорията на Айнщайн отбеляза такъв важен напредък в разбирането на природата, че преразглеждането на възгледите за други природни сили скоро стана неизбежно. По това време единствената „друга“ сила, чието съществуване е твърдо установено, е електромагнитното взаимодействие. Външно обаче изобщо не приличаше на гравитацията. Освен това, няколко десетилетия преди създаването на теорията на Айнщайн за гравитацията, електромагнетизмът беше успешно описан от теорията на Максуел и нямаше причина да се съмняваме в валидността на тази теория.
През целия си живот Айнщайн мечтае да твори единна теорияполе, в което всички сили на природата биха се слели заедно на базата на чиста геометрия. Айнщайн посвещава по-голямата част от живота си на търсенето на такава схема след създаването на общата теория на относителността. Но по ирония на съдбата човекът, който се доближава най-много до осъществяването на мечтата на Айнщайн, е малко известният полски физик Теодор Калуца, който през 1921 г. полага основите на нов и неочакван подход към обединяването на физиката, който и до днес удивлява въображението със своята дързост. .
С откриването на слаби и силни взаимодействия през 30-те години на 20 век идеите за обединяване на гравитацията и електромагнетизма до голяма степен губят своята привлекателност. Една последователна единна теория на полето трябваше да включва не две, а четири сили. Очевидно това не може да бъде направено без постигане на дълбоко разбиране на слабите и силните взаимодействия. В края на 70-те години, благодарение на свежия вятър, донесен от Големите обединени теории (GUT) и супергравитацията, старата теория на Калуца-Клайн беше запомнена. Те „издухаха праха, облякоха го по мода“ и включиха в него всички взаимодействия, известни до момента.
В GUT теоретиците успяха да обединят три много различни типа взаимодействия в една концепция; това се дължи на факта, че и трите взаимодействия могат да бъдат описани с помощта на калибровъчни полета. Основното свойство на калибровъчните полета е наличието на абстрактни симетрии, благодарение на което този подход придобива елегантност и отваря широки възможности. Наличието на симетрии на силовите полета съвсем ясно показва проявата на някаква скрита геометрия. В теорията на Калуца-Клайн, върната към живота, симетриите на калибровъчните полета стават конкретни - това са геометрични симетрии, свързани с допълнителни измерения на пространството.
Както в оригинална версия, взаимодействията се въвеждат в теориите чрез добавяне на допълнителни пространствени измерения към пространство-времето. Въпреки това, тъй като сега трябва да приемем взаимодействия от три типа, трябва да въведем няколко допълнителни измерения. Простото преброяване на броя операции на симетрия, включени в GUT, води до теория със седем допълнителни пространствени измерения (така че техните общ бройдостига до десет); ако вземем предвид времето, тогава пространство-времето има общо единадесет измерения. [Солдатов В. К. Теория на „Великото обединение”. – М., Послепис, 2000, стр. 69.]
Основни положения на теорията за "великото обединение" от гледна точка на квантовата физика
В квантовата физика всяка скала на дължина е свързана с енергийна скала (или еквивалентни маси). Колкото по-малък е изследваният мащаб на дължината, толкова по-висока енергия е необходима за това. Изследването на кварковата структура на протона изисква енергия, еквивалентна на поне десет пъти масата на протона. Значително по-високо в енергийната скала е масата, съответстваща на Великото Обединение. Ако някога успеем да постигнем такава огромна маса (енергия), от която сме много далеч днес, тогава ще бъде възможно да се изследва света на Х частиците, в който разликите между кварките и лептоните са изтрити.
Какъв вид енергия е необходима, за да се проникне „вътре“ в 7-сферата и да се изследват допълнителни измерения на пространството? Според теорията на Калуца-Клайн е необходимо да се надхвърли скалата на Голямото обединение и да се постигнат енергии, еквивалентни на 10 19 протонни маси. Само с такива невъобразимо огромни енергии би било възможно директно да се наблюдават проявите на допълнителни измерения на пространството.
Тази огромна стойност - 10 19 маси на протон - се нарича маса на Планк, тъй като е въведена за първи път от Макс Планк, създателят на квантовата теория. При енергия, съответстваща на масата на Планк, всичките четири взаимодействия в природата биха се слели в една суперсила и десет пространствени измерения биха били напълно равни. Ако беше възможно да се концентрира достатъчно количество енергия, „осигуряващо постигането на масата на Планк, тогава пълното измерение на космоса би се появило в целия му блясък [Якушев А. С. Основни понятия на съвременното естествознание – М., Факт-М , 2001, стр. 122. ]
Давайки воля на въображението, човек може да си представи, че един ден човечеството ще придобие суперсили. Ако това се случи, тогава ще придобием власт над природата, тъй като суперсилата в крайна сметка поражда всички взаимодействия и всички физически обекти; в този смисъл това е основният принцип на всички неща. Овладявайки суперсилата, бихме могли да променим структурата на пространството и времето, да огънем празнотата по свой начин и да подредим материята. Чрез контролиране на суперсили бихме могли да създаваме или трансформираме частици по желание, генерирайки екзотични нови форми на материя. Можем дори да манипулираме измерението на самото пространство, създавайки причудливи изкуствени светове с невъобразими свойства. Наистина щяхме да станем господари на Вселената!
Но как да постигнете това? На първо място е необходимо да се получи достатъчно количество енергия. За да добиете представа за какво говорим, не забравяйте, че 3-километровият линеен ускорител в Станфорд ускорява електрони до енергии, еквивалентни на 20 протонни маси. За да се постигне енергията на Планк, ускорителят трябва да бъде удължен 10 18 пъти, което го прави с размерите на Млечния път (около сто хиляди светлинни години). Такъв проект не може да бъде реализиран в обозримо бъдеще. [Уилър Дж. А. Квантът и Вселената // Астрофизика, кванти и теория на относителността, М., 1982, стр. 276.]
Голямата обединена теория ясно разграничава три прага или скали на енергия. На първо място, това е прагът на Вайнберг-Салам, еквивалентен на почти 90 протонни маси, над който електромагнитните и слабите взаимодействия се сливат в едно електрослабо взаимодействие. Втората скала, съответстваща на 10 14 протонни маси, е характерна за Великото обединение и новата физика, базирана на него. И накрая, крайната скала - масата на Планк - еквивалентна на 10 19 протонни маси, съответства на пълното обединение на всички взаимодействия, в резултат на което светът е удивително опростен. Един от най-големите неразрешени проблеми е да се обясни съществуването на тези три скали, както и причината за толкова силна разлика между първата и втората от тях. [Солдатов В. К. Теория на „Великото обединение”. – М., Послепис, 2000, стр. 76.]
Съвременната технология е в състояние да постигне само първия мащаб. Протонният разпад може да ни даде косвено средство за изучаване физически святв големия обединен мащаб, въпреки че в момента изглежда няма надежда за директно достигане на тази граница, да не говорим за мащаба на масата на Планк.
Означава ли това, че никога няма да можем да наблюдаваме прояви на оригиналната суперсила и невидимите седем измерения на космоса. Използвайки технически средства като свръхпроводящ суперколайдер, ние бързо се придвижваме нагоре по скалата на енергиите, постижими при земни условия. Създадената от хората технология обаче не изчерпва всички възможности – самата природа също съществува. Вселената е гигантска природна лаборатория, в която преди 18 милиарда години е „проведен” най-големият експеримент в областта на физиката на елементарните частици. Ние наричаме този експеримент Големия взрив. Както ще бъде обсъдено по-късно, това първоначално събитие беше достатъчно, за да освободи - макар и за много кратък момент - суперсила. Това обаче очевидно е било достатъчно призрачното съществуване на суперсила да остави своя отпечатък завинаги. [Якушев A. S. Основни понятия на съвременната естествознание. – М., Факт-М, 2001, с. 165.]
Времето е като река, носеща преминаващи събития, и течението й е силно; Щом нещо се появи пред очите ви, то вече е отнесено и можете да видите нещо друго, което също скоро ще бъде отнесено.
Марк Аврелий
Всеки от нас се стреми да твори пълна картинасвят, включително картината на Вселената, от най-малките субатомни частицив най-голяма степен. Но законите на физиката понякога са толкова странни и контраинтуитивни, че тази задача може да стане непосилна за тези, които не са станали професионални физици теоретични.
Читател пита:
Въпреки че това не е астрономия, може би можете да ми дадете намек. Силната сила се носи от глуони и свързва кварките и глуоните заедно. Електромагнитното поле се носи от фотони и свързва електрически заредени частици. Предполага се, че гравитацията се носи от гравитони и свързва всички частици с маса. Слабият се носи от W и Z частици и... е свързан с разпадане? Защо слабата сила е описана по този начин? Дали слабата сила е отговорна за привличането и/или отблъскването на някакви частици? И кои? И ако не, защо тогава е едно от фундаменталните взаимодействия, ако не е свързано с никакви сили? Благодаря ти.
Нека махнем основите от пътя. Има четири основни сили във Вселената - гравитация, електромагнетизъм, силна ядрена сила и слаба ядрена сила.
И всичко това е взаимодействие, сила. За частици, чието състояние може да се измери, прилагането на сила променя нейния момент - в обикновения живот в такива случаи говорим за ускорение. И за три от тези сили това е вярно.
В случай на гравитация, обща сумаенергията (най-вече масата, но това включва цялата енергия) огъва пространство-времето и движението на всички други частици се променя в присъствието на всичко, което има енергия. Ето как работи в класическата (неквантова) теория на гравитацията. Може би има още обща теория, квантова гравитация, където гравитоните се обменят, което води до това, което наблюдаваме като гравитационно взаимодействие.
Преди да продължите, моля, разберете:
- Частиците имат свойство или нещо присъщо за тях, което им позволява да усещат (или да не усещат) определен вид сила
- Други частици, осъществяващи взаимодействия, взаимодействат с първите
- В резултат на взаимодействията частиците променят своя момент или се ускоряват
В електромагнетизма основното свойство е електрическият заряд. За разлика от гравитацията, тя може да бъде положителна или отрицателна. Фотон, частица, която носи силата, свързана със заряд, води до идентични таксиотблъскват, а тези, които се различават, се привличат.
Струва си да се отбележи, че движещите се заряди или електрически токове изпитват друга проява на електромагнетизъм - магнетизъм. Същото се случва и с гравитацията и се нарича гравитомагнетизъм (или гравитоелектромагнетизъм). Няма да навлизаме по-дълбоко - въпросът е, че има не само заряд и носител на сила, но и токове.
Има и силно ядрено взаимодействие, което има три вида заряди. Въпреки че всички частици имат енергия и всички са обект на гравитация, и въпреки че кварките, половината лептони и двойка бозони съдържат електрически заряди - само кварките и глуоните имат цветен заряд и могат да изпитат силната ядрена сила.
Навсякъде има много маси, така че гравитацията е лесна за наблюдение. И тъй като силната сила и електромагнетизмът са доста силни, те също са лесни за наблюдение.
Но какво да кажем за последното? Слабо взаимодействие?
Обикновено говорим за това в контекста на радиоактивния разпад. Тежкият кварк или лептон се разпада на по-леки и по-стабилни. Да, слабото взаимодействие има нещо общо с това. Но в в този примертя е някак различна от другите сили.
Оказва се, че слабото взаимодействие също е сила, просто не се говори често за него. Тя е слаба! 10 000 000 пъти по-слаб от електромагнетизма на разстояние колкото диаметъра на протон.
Заредената частица винаги има заряд, независимо дали се движи или не. Но електричество, създаден от него, зависи от движението му спрямо други частици. Токът определя магнетизма, който е толкова важен, колкото и електрическата част на електромагнетизма. Сложните частици като протона и неутрона имат значителни магнитни моменти, точно като електрона.
Кварките и лептоните се предлагат в шест вида. Кварки - top, bottom, strange, charmed, charming, true (според буквените им обозначения на латиница u, d, s, c, t, b - up, down, strange, charm, top, bottom). Лептони - електрон, електрон-неутрино, мюон, мюон-неутрино, тау, тау-неутрино. Всеки от тях има електрически заряд, но и аромат. Ако комбинираме електромагнетизма и слабата сила, за да получим електрослабата сила, тогава всяка от частиците ще има някакъв слаб заряд, или електрослаб ток, и слаба силова константа. Всичко това е описано в стандартния модел, но беше доста трудно да се тества, защото електромагнетизмът е толкова силен.
В нов експеримент, резултатите от който бяха публикувани наскоро, приносът на слабото взаимодействие беше измерен за първи път. Експериментът позволи да се определи слабото взаимодействие на кварките нагоре и надолу
И слабите заряди на протона и неутрона. Прогнозите на Стандартния модел за слаби такси бяха:
Q W (p) = 0,0710 ± 0,0007,
Q W (n) = -0,9890 ± 0,0007.
И въз основа на резултатите от разсейването, експериментът даде следните стойности:
Q W (p) = 0,063 ± 0,012,
Q W (n) = -0,975 ± 0,010.
Което много добре съвпада с теорията, имайки предвид грешката. Експериментаторите казват, че като обработват повече данни, ще намалят допълнително грешката. И ако има изненади или несъответствия с Стандартен модел, ще е яко! Но нищо не показва това:
Следователно частиците имат слаб заряд, но ние не говорим за това, тъй като е нереално трудно да се измери. Но все пак го направихме и изглежда, че сме потвърдили отново Стандартния модел.
Читателят е запознат със сили от различно естество, които се проявяват в взаимодействиямежду телата. Но принципно различни видове взаимодействиемного малко. Освен гравитацията, която играе значителна роля само при наличието на огромни маси, тогава са известни само три вида взаимодействия: силен, електромагнитни и слаб.
Електромагнитна взаимодействиевсички знаят. Благодарение на тях се излъчва неравномерно движещ се електрически заряд (да речем електрон в атом). електромагнитни вълни(Например, Видима светлина). Всички взаимодействия са свързани с този клас взаимодействия. химически процеси, както и всички молекулярни явления - повърхностно напрежение, капилярност, адсорбция, течливост. Електромагнитна взаимодействие, чиято теория е блестящо потвърдена от опита, са дълбоко свързани с електрически заряд елементарен частици.
Силен взаимодействиестана известно едва след разкриването вътрешна структура атомно ядро. През 1932 г. е открито, че се състои от нуклони, неутрони и протони. И то точно силен взаимодействиесвързват нуклони в ядрото - отговарят за ядрените сили, които, за разлика от електромагнитните, се характеризират с много кратък обхват на действие (около 10-13, т.е. една десеттрилионна от сантиметъра) и висока интензивност. Освен това, силен взаимодействиесе появяват по време на сблъсък частицивисоки енергии, включващи пиони и така наречените "странни" частици.
Удобно е да се оцени интензивността на взаимодействията, като се използва така нареченият среден свободен път частицив някакво вещество, т.е. от средно аритметичноначина, по който частицаможе да премине през това вещество, докато настъпи разрушителен или силно отклоняващ сблъсък. Ясно е, че колкото по-дълъг е средният свободен път, толкова по-малко интензивно е взаимодействието.
Ако вземем предвид частициМного висока енергия, след това сблъсъци, причинени от силни взаимодействия, се характеризират със свободния път частици, съответстващи по порядък на големина на десетки сантиметри в мед или желязо.
Ситуацията е различна при слабите взаимодействия. Както вече казахме, средният свободен път на неутрино в плътна материя се измерва в астрономически единици. Това показва изненадващо ниска интензивност на слабите взаимодействия.
Всеки процес взаимодействие елементарен частицихарактеризиращ се с известно време, което го определя средна продължителност. Процеси, причинени от слаб взаимодействия, често се наричат „бавни“, защото времето за тях е относително дълго.
Читателят обаче може да се изненада, че явление, което се случва за, да речем, 10-6 (една милионна от секундата) се класифицира като бавно. Този живот е типичен например за разпадането на мюон, причинено от слаб взаимодействия. Но всичко се учи чрез сравнение. В света елементарен частицитакъв период от време наистина е доста дълъг. Естествена единицадължина в микрокосмоса е 10-13 сантиметра - обхват на действие ядрени сили. И още от начално частицивисока енергия имат скорост, близка до скоростта на светлината (около 1010 сантиметра в секунда), тогава "нормалната" времева скала за тях ще бъде 10-23 секунди.
Това означава, че времето от 10-6 секунди за „гражданите“ на микросвета е много по-дълго, отколкото за вас и мен целият период на съществуване на живот на Земята
електрослаба теория
Урок-лекция обясняване на нов материал 2 часа 11 клас
Вече знаете, че всички сили в природата се свеждат до описанието на гравитационни, електромагнитни и силни взаимодействияth или техните комбинации. Гравитационното взаимодействие е присъщо на всички материални обекти. Не само взаимодействието между заредени тела и частици, но и еластични, вискозни, молекулярни, химични и други взаимодействия се свеждат до електромагнитни. Силното взаимодействие задържа нуклоните в атомните ядра и определя различните превръщания на частиците една в друга.Днес ще разгледаме друг, 4-ти тип фундаментални взаимодействия, които не могат да бъдат сведени до нито едно от горните - слабо взаимодействие. Нека разберем невероятен фактче на малки разстояния слабото взаимодействие става неразличимо от електромагнитното.
Слабо взаимодействие. Неслучайно това взаимодействие се нарича слабо. Първо, проявленията му са редки у нас Ежедневието, докато отдавна сме свикнали с различни прояви на гравитационни и електромагнитни взаимодействия (например падане на всички тела на Земята, триене, мълния и др.), с резултатите от действието на ядрените сили, които осигуряват стабилността на материята около нас. Второ, това взаимодействие наистина е слабо, т.к неговият интензитет при ниски енергии, непревишаващи 1 GeV - енергията на покой на протона - е милиарди пъти по-малък от интензитета на силните и електромагнитни взаимодействия.
Освен това опитът показва, че силните и електромагнитни взаимодействия могат да осигурят както различни трансформации на частици, така и целостта на някакъв материален обект (например силното взаимодействие осигурява целостта на ядрото, електромагнитното взаимодействие осигурява целостта на кристалната решетка). Слабата сила на взаимодействие не е достатъчна, за да задържи частиците близо една до друга (т.е. да образува свързани състояния). Може да се прояви само при разпадане и взаимни трансформации на частици.
Въпреки всички „слабости“ на слабото взаимодействие, то е много важно. Именно това взаимодействие на микро ниво е отговорно за освобождаването на енергия в звездите, включително Слънцето. Можем да кажем, че сме вътре буквалноНе можем да живеем без това взаимодействие! В допълнение, разпадането на известните ви радиоактивни ядра също се случва поради слабо взаимодействие.
И така, какви са основните свойства на слабото взаимодействие?
– Слабо взаимодействие при ниски енергии много по-слаби от силните и електромагнитни взаимодействия;
– слабото взаимодействие е с малък обсег: радиусът му на действие е около 10–18 m;
– слабото взаимодействие е универсално: в него участват почти всички частици, с изключение на фотоните. Освен това има частици, които участват самопри слаби взаимодействия, например неутрино и антинеутрино;
– при слабо взаимодействие някои привидно универсални закони за запазване не са изпълнени (този въпрос е разгледан в материала за самоподготовка, виж отдолу).
Както е известно, всяко едно от взаимодействията се осъществява чрез специални елементарни частици – носители на едно или друго взаимодействие. Например фотоните са носители на електромагнитно взаимодействие, глуоните са носители на силно взаимодействие. В момента учените се опитват да открият носители гравитационно взаимодействие– гравитони.
Носителите на слабото взаимодействие са междинни векторни бозони. Известни са 3 вида от тях: У – , У + , З 0 . Тези частици имат много големи маси: mW 85m p, m Z 96m p, Където m p– протонна маса.
Нека опишем по-подробно ролята на междинните бозони в процесите на слабо взаимодействие. Например по време на -разпад на кварк дизлъчва неутрон У- бозон и се превръща в кварк u, така че неутронът се превръща в протон: дu + У- , - и тогава У– - бозонът се разпада на електрон и антинеутрино: [Трябва обаче да се подчертае, че поради самото голяма маса У-бозон ефективно -разпадането се случва по такъв начин, че цялата вътрешна „структура“ на слабите взаимодействия не се появява и се отразява само в малка константа на взаимодействие. Но ако изучаваме процеси на слабо взаимодействие при енергии, сравними с масата У(т.е. около 100 GeV), тогава тук е приносът У-бозонът се вижда ясно. – Ед.]
2. Единно електрослабо взаимодействие. По-нататъшните теоретични изследвания доведоха до факта, че картината на фундаменталните взаимодействия започна да се опростява. Оказа се, че електромагнитните и слабите взаимодействия са прояви на едно и също взаимодействие, което се нарича електрослабо взаимодействие. Тази идея е изразена за първи път (независимо) през 1967 г. С. ВайнбергИ А.Салам, излагайки следната хипотеза: природата на слабите и електромагнитните взаимодействия е една и съща, т.к на къси разстояния слабите взаимодействия са сравними по сила с електромагнитните и разликата между междинните векторни бозони и фотоните се изтрива. С други думи, при енергии, надвишаващи няколкостотин гигаелектронволта, електромагнитните и слабите взаимодействия стават неразличими по интензитет; те сякаш се сливат в едно електрослабо взаимодействие.
Обърнете внимание, че Уайнбърг и Салам разчитат на по-ранното предположение, че носителите на слабото взаимодействие са междинни векторни бозони. Тези частици са открити експериментално много по-късно (през 1983 г.).
3. Обосновка на хипотезата на Вайнберг–Салам. Уайнберг и Салам стигнаха до заключението за съществуването на единична електрослаба сила въз основа на нови фундаментални физически идеи:
1) локална калибровъчна инвариантност;
2) спонтанно нарушаване на симетрията.
От хипотезата следва, че на малки разстояния междинните векторни бозони не се различават по свойствата си от фотоните, което означава, че междинните векторни бозони и фотоните всъщност са две проявления на една и съща частица - носител на електрослабото взаимодействие (иначе силата на взаимодействие не може да бъде еднаква). Това е възможно само когато е направено принцип на локална инвариантност на калибровката (симетрия),(вижте диаграмата).
Оказа се, че при промяна на мащаба, т.е. с намаляването на разстоянието носителите на електрослабото взаимодействие преминават от едно от своите проявления - фотоните - към другото си проявление - междинни векторни бозони - но обменът им се извършва също толкова лесно.
Но тук възникна нов въпрос: как междинните векторни бозони и фотоните могат да бъдат проявления на едни и същи частици, ако фотоните имат нулева маса, а междинните векторни бозони имат много големи маси? Тъй като това са едни и същи частици, техните маси трябва да съвпадат. Изглеждаше, че се е появила безнадеждна ситуация.
Оказа се, че междинните векторни бозони са способни да придобият своята маса в резултат на определен механизъм, т.нар. спонтанно нарушаване на симетрията. Този механизъм е много сложен, но нека се опитаме да разгледаме същността му с няколко прости примера.
Законите за движение на отделните атоми отговарят на принципа на пространствената симетрия, т.е. не се променят, когато атомът се движи различни посоки. Но когато се образува кристал, тази симетрия се нарушава от само себе си и свойствата на кристала в различни посоки вече няма да бъдат еднакви. Така кристалът, в сравнение със свободните атоми, има много специфични свойства, например способността да се магнетизира.
Топката, разположена в центъра на повдигнатото дъно на бутилката, ще бъде в равновесие. Системата има аксиална симетрия. Това равновесно положение обаче е нестабилно. Оставена на собствените си средства, топката, под въздействието на произволно малко смущение, ще се търкаля надолу към вдлъбнатото дъно. Тази позиция на топката е стабилна, т.к отговаря на минимум потенциална енергияв гравитационното поле на Земята. Първоначално аксиална симетриясъстоянието ще бъде спонтанно нарушено.
По същия начин, най-общо казано, механизмът на спонтанно нарушаване на локалната калибровъчна симетрия, който осигурява „безмасовостта“ на междинните векторни бозони и тяхната идентичност с фотоните, води до появата на маса в междинните векторни бозони и по този начин до разликите в външна проява на слаби и електромагнитни взаимодействия.
Горните разпоредби представляват единна теория на електрослабото взаимодействие. От това произтича съществуването три видамеждинни векторни бозони У – , У + , З 0 , а стойностите на техните маси също бяха предсказани.
Експерименталното откритие на междинни векторни бозони през 1983 г. потвърждава валидността на единната теория за електрослабото взаимодействие. Вие също сте поканени да се запознаете с тези експерименти (въпросът е представен в материала за самообучение).
Така вместо четири фундаментални взаимодействия можем да говорим само за три: гравитационно, силно и електрослабо.
Материал за самоподготовка
1. Неспазване на законите за опазване при слабо взаимодействие.Беше открито, че при слабо взаимодействие не се изпълняват някои привидно универсални закони за запазване, които се изпълняват при другите три фундаментални взаимодействия (виж диаграмата).
Нека разгледаме законите, които не важат при слаби взаимодействия.
Закон за запазване на пространствения паритет ( П-паритет).Казват, че закон за запазване на пространствения паритетвъв всеки процес се изпълнява, ако процесът е огледално симетричен, т.е. протича по абсолютно същия начин както вдясно, така и вляво спрямо някой избран център. С други думи, самият процес и неговото огледално отражение протичат по абсолютно същия начин.
През 1957 г. Ц. Ву открива, че законът за запазване на паритета не е верен при слаби взаимодействия. Определено вещество, съдържащо β-активния изотоп на кобалта, беше поставено вътре в токова намотка, която създаде магнитно поле (полето е необходимо, за да се подреди ориентацията на завъртанията и присъщите магнитни моменти на ядрата). Оказа се, че около 40% повече електрони са излъчени от едната страна (например нагоре), отколкото от другата.
Опит върху реална инсталация (горе) и нейното отражение в огледалото (долу)
Когато цялата картина се огледа, например, спрямо огледало, разположено отдолу, ще видим съвсем различно явление (повечето електрони летят надолу, въпреки че полето IN кръговият ток все още е насочен нагоре). За да може явлението -разпад в огледалото да протича точно по същия начин, трябва да се промени посоката на "преобладаващото" излъчване на електрони (нагоре). Има нарушение на закона за запазване на пространствения паритет, който не би съществувал, ако електроните се излъчват с еднаква вероятност както нагоре, така и надолу.
Феноменът на незапазване на пространствения паритет при слаби взаимодействия може да бъде илюстриран по този начин. Частиците, родени по време на слабо взаимодействие (електрони, мюони, таони), са надлъжно поляризирани. Това означава, че имат собствен моментимпулс - спин й , който за дадена частица винаги е или съпосочен с импулса на частицата стр , или насочени в обратна посока. При огледално отражение тези частици определени векторипроменят посоката по различни начини. Въртенето не променя посоката, но инерцията го прави. Въпреки това, частици с получената подредба стр И й просто не съществува, така че в огледалото процесът протича по различен начин.
Частица с надлъжна поляризация: А) падане; b) отражение
2. Откриване на междинни векторни бозони.През 1983 г. експериментално е потвърдено съществуването на междинни векторни бозони. Известно е, че основният метод на изследване във физиката на елементарните частици е методът на разсейване, т.е. сблъсък на различни частици една с друга, в резултат на което се раждат нови частици. Напоследък широко се използват колайдери - ускорители, в които се сблъскват два снопа частици с нулев общ импулс (частиците от различни снопове имат еднакви по големина, но противоположно насочени импулси). Казват, че процесът се разглежда в системата на инерционния център на сблъскващи се частици. Новите частици, родени в колайдера, се записват от различни детектори.
И така, нека сблъскаме протонни и антипротонни лъчи, във всеки от които енергията на частиците е равна на д. Тогава общата енергия на сблъсък на две частици е 2 д. Предмет на 2 д > Госпожица 2 при този сблъсък частица с маса М. Нека да разгледаме процеса: 
, Където хе набор от всички възможни състояния, например,
Ние илюстрираме раждането на междинни векторни бозони с диаграма.
Кварк uот протон и антикварк от антипротон могат да се слеят в У+ (това е показано на диаграмата). По същия начин двойките могат да дават при сливане З 9 -бозон, чифт – У– -бозон. Но веднъж родени, тези частици бързо се разпадат. Например и т.н.
Позитрон или положително зареден мюон с висока ефективностмогат да бъдат регистрирани от детектори и това ще служи като знак за раждането на междинен векторен бозон. В същото време неутрино отлитат, отнасяйки значителна част от енергията.
Експерименталното откриване на векторни междинни бозони потвърди валидността на единната теория за електрослабото взаимодействие.
Въпроси за самоконтрол
1. Избройте и обяснете законите за запазване, които се прилагат при слабо взаимодействие.
2. Каква е същността на закона за запазване на пространственото равенство?
3. Обяснете как е доказано неизпълнението на закона за запазване на пространственото равенство при слабо взаимодействие. Кога и от кого е извършен този експеримент?
4. Как иначе може да се илюстрира феноменът на незапазване на пространствения паритет при слабо взаимодействие?
5. Как се различава законът за запазване на пространствения паритет от закона за запазване на комбинирания паритет? Защо не можем да говорим за неговата осъществимост за слабо взаимодействие?
6. Защо бяха въведени странността и чарът? Какви стойности могат да приемат? Какво може да се каже за запазването на тези количества при слабо взаимодействие?
7. Как се различава изотопният спин от изотопния мултиплет? Дайте пример за изотопен мултиплет. Винаги ли се нарушава законът за запазване на изоспина при слаби взаимодействия?
8. Защо мислите, че преди изграждането на колайдери не беше възможно експериментално да се докаже съществуването на междинни векторни бозони?
9. Обяснете процеса на създаване на междинни векторни бозони в колайдера.
10. Как се откриват междинните векторни бозони, произведени в колайдера?
Литература
Мякишев Г.Я. Елементарни частици. – М.: Наука, 1979.
Ръководство за дисциплината „Физика на атомното ядро и елементарните частици”: Comp. Василевски A.S. Ч. 1, 2. – Киров: ГПИ, 1990.
Мухин К.Н. Забавна ядрена физика. – М.: Енергоатомиздат, 1985.
Наумов А.И. Физика на атомното ядро и елементарните частици. – М.: Образование, 1984.
Костур Л.Б. Физика на елементарните частици. – М.: Наука, 1988.
Орир Дж. Популярна физика. – М.: Мир, 1964.
Физика на елементарните частици. Астрофизика: Енциклопедия "Съвременно естествознание". Т. 4. – М.: Издателство Магистр-Прес, 2000.
Завършил Кировския държавен педагогически университет през 1996 г., учител по физика с най-висока квалификационна категория, педагогически стаж 9 години, методолог, д-р. Женен, има две деца.
Студент от 5-та година на Физическия факултет на Vyat GSU.
Това взаимодействие е най-слабото от фундаменталните взаимодействия, експериментално наблюдавани при разпадането на елементарни частици, където следните са фундаментално значими: квантови ефекти. Нека припомним, че никога не са наблюдавани квантови прояви на гравитационно взаимодействие. Слабите взаимодействия се подчертават с помощта на следващото правило: ако в процеса на взаимодействие участва елементарна частица, наречена неутрино (или антинеутрино), тогава това взаимодействие е слабо.
Типичен пример за слабото взаимодействие е бета-разпадът на неутрон, където н– неутрон, стр– протон, д– – електрон, д+ – електронно антинеутрино. Трябва обаче да се има предвид, че горното правило изобщо не означава, че всеки акт на слабо взаимодействие трябва да бъде придружен от неутрино или антинеутрино. Известно е, че се среща голямо числобезнеутрино разпадане. Като пример можем да отбележим процеса на разпадане на ламбда хиперон D в протон стр+ и отрицателно зареден пион стр– . от модерни идеиНеутронът и протонът не са истински елементарни частици, а са съставени от елементарни частици, наречени кварки.
Интензитетът на слабото взаимодействие се характеризира с константата на свързване на Ферми Г Ф. Константа Г Фразмерен. За да се образува безразмерна величина, е необходимо да се използва някаква референтна маса, например масата на протон m p. Тогава безразмерната константа на свързване ще бъде. Вижда се, че слабото взаимодействие е много по-интензивно от гравитационното взаимодействие.
Слабото взаимодействие, за разлика от гравитационното, е с малък обсег. Това означава, че слабата сила между частиците влиза в действие само ако частиците са достатъчно близо една до друга. Ако разстоянието между частиците надвишава определена стойност, наречена характерен радиус на взаимодействие, слабото взаимодействие не се проявява. Експериментално е установено, че характерният радиус на слабото взаимодействие е около 10–15 cm, т.е. слабото взаимодействие е концентрирано на разстояния по-малки размериатомно ядро.
Защо можем да говорим за слабо взаимодействие като самостоятелен тип фундаментално взаимодействие? Отговорът е лесен. Установено е, че има процеси на трансформация на елементарни частици, които не се свеждат до гравитационни, електромагнитни и силни взаимодействия. Добър пример, което показва, че има три качествено различни взаимодействия в ядрени явления, свързани с радиоактивността. Експериментите показват наличието на три различни видоверадиоактивност: α-, β- и γ-радиоактивни разпадания. В този случай α-разпадът се дължи на силно взаимодействие, γ-разпадът се дължи на електромагнитно взаимодействие. Останалият β разпад не може да се обясни с електромагнитните и силните взаимодействия и ние сме принудени да приемем, че има друго фундаментално взаимодействие, наречено слабо. IN общ случайнеобходимостта от въвеждане на слабо взаимодействие се дължи на факта, че в природата протичат процеси, при които електромагнитни и силни разпадизабранени от законите за опазване.
Въпреки че слабото взаимодействие е значително концентрирано в ядрото, то има определени макроскопични прояви. Както вече отбелязахме, той е свързан с процеса на β-радиоактивност. В допълнение, слабото взаимодействие играе важна роляв т.нар термоядрени реакции, отговорен за механизма на освобождаване на енергия в звездите.
Най-невероятният имотслабо взаимодействие е наличието на процеси, при които се проявява огледална асиметрия. На пръв поглед изглежда очевидно, че разликата между понятията ляво и дясно е произволна. Действително, процесите на гравитационно, електромагнитно и силно взаимодействие са инвариантни по отношение на пространствената инверсия, която осъществява огледално отражение. Твърди се, че при такива процеси пространственият паритет P се запазва, но експериментално е установено, че слаби процесиможе да възникне при неспазване на пространствения паритет и следователно изглежда усеща разликата между ляво и дясно. Понастоящем има солидни експериментални доказателства, че неспазването на паритета в слабите взаимодействия е универсално по природа; то се проявява не само в разпадането на елементарни частици, но и в ядрените и дори атомни явления. Трябва да се признае, че огледалната асиметрия е свойство на природата на най-фундаменталното ниво.
Незапазването на паритета при слаби взаимодействия изглеждаше така необичайно свойство, че почти веднага след откриването му теоретиците правят опити да покажат, че всъщност има пълна симетрия между ляво и дясно, само че има повече дълбок смисълотколкото се смяташе досега. Огледалното отражение трябва да бъде придружено от замяната на частиците с античастици (конюгация на заряд C) и след това всичко фундаментални взаимодействиятрябва да бъде инвариантен. По-късно обаче беше установено, че тази инвариантност не е универсална. Съществуват слаби разпади на т. нар. дългоживеещи неутрални каони в пиони p + , p – , които са забранени, ако посочената инвариантност действително е налице. По този начин, отличителна чертаслабото взаимодействие е неговата CP неинвариантност. Възможно е това свойство да е отговорно за факта, че материята във Вселената значително преобладава над антиматерията, изградена от античастици. Светът и антисветът са асиметрични.
Въпросът кои частици са носители на слабото взаимодействие за дълго времебеше неясно. Разбирането беше постигнато сравнително наскоро в рамките на единната теория на електрослабите взаимодействия - теорията на Вайнберг-Салам-Глашоу. Сега е общоприето, че носителите на слабото взаимодействие са така наречените W + - и Z 0 -бозони. Това са заредени W + и неутрални Z 0 елементарни частицисъс спин 1 и маси, равни по големина на 100 m p.