Фундаментални взаимодействия 1. Видове фундаментални взаимодействия във физиката

Способността за взаимодействие е най-важното и неразделно свойство на материята. Именно взаимодействията осигуряват обединяването на различни материални обекти на мега-, макро- и микросвета в системи. Всички известни съвременна наукасилите се свеждат до четири вида взаимодействия, които се наричат ​​фундаментални: гравитационни, електромагнитни, слаби и силни.

Гравитационно взаимодействиеза първи път става обект на изучаване на физиката през 17 век. Теорията на I. Нютон за гравитацията, която се основава на закона универсална гравитация, стана един от компонентите класическа механика. Законът за всемирното привличане гласи: между две тела съществува сила на привличане, която е право пропорционална на произведението на техните маси и обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях (2.3). Всяка материална частица е източник на гравитационно влияние и го изпитва върху себе си. С увеличаването на масата се увеличават гравитационните взаимодействия, т.е. колкото по-голяма е масата на взаимодействащите вещества, толкова по-силни са гравитационните сили. Силите на гравитацията са сили на привличане. Наскоро физиците предположиха съществуването на гравитационно отблъскване, което е действало в първите моменти от съществуването на Вселената (4.2), но тази идея все още не е потвърдена. Гравитационното взаимодействие е най-слабото известно в момента. Гравитационната сила действа върху много дълги разстояния, неговият интензитет намалява с увеличаване на разстоянието, но не изчезва напълно. Смята се, че носителят на гравитационното взаимодействие е хипотетична частицагравитон. В микросвета гравитационното взаимодействие не играе съществена роля, но в макро- и особено мегапроцесите играе водеща роля.

Електромагнитно взаимодействиестава обект на изучаване на физиката от 19 век. Първата единна теория за електромагнитното поле е концепцията на Дж. Максуел (2.3). За разлика от гравитационната сила, електромагнитните взаимодействия съществуват само между заредени частици: електрическото поле е между две неподвижни заредени частици, магнитното поле е между две движещи се заредени частици. Електромагнитните сили могат да бъдат както сили на привличане, така и сили на отблъскване. Вероятно заредените частици се отблъскват, противоположно заредените частици се привличат. Носители на този вид взаимодействие са фотоните. Електромагнитното взаимодействие се проявява в микро-, макро- и мега-световете.

В средата на 20в. беше създаден квантова електродинамика – теория за електромагнитното взаимодействие, която отговаря на основните принципи квантова теорияи теорията на относителността. През 1965 г. нейните автори С. Томанага, Р. Файнман и Й. Швингер са удостоени с Нобелова награда. Квантовата електродинамика описва взаимодействието на заредени частици - електрони и позитрони.

Слабо взаимодействиее открит едва през 20-ти век, през 60-те години на миналия век. е изградена обща теория на слабото взаимодействие. Слабата сила е свързана с разпадането на частиците, така че нейното откриване последва едва след откриването на радиоактивността. При наблюдение на радиоактивния разпад на частиците бяха открити явления, които изглежда противоречат на закона за запазване на енергията. Факт е, че по време на процеса на разпад част от енергията „изчезна“. Физикът У. Паули предположи, че по време на процеса на радиоактивно разпадане на вещество заедно с електрон се освобождава частица с висока проникваща способност. По-късно тази частица е наречена "неутрино". Оказа се, че в резултат на слаби взаимодействия неутроните, които изграждат атомното ядро, се разпадат на три вида частици: положително заредени протони, отрицателно заредени електрони и неутрални неутрино. Слабото взаимодействие е много по-малко от електромагнитното, но по-голямо от гравитационното и за разлика от тях се разпространява на малки разстояния - не повече от 10-22 см. Ето защо слабото взаимодействие дълго време не се наблюдава експериментално. Носителите на слабото взаимодействие са бозоните.

През 1970-те години е създадена обща теория за електромагнитното и слабо взаимодействие, т.нар теория на електрослабото взаимодействие.Неговите създатели С. Вайнберг, А. Салам и С. Глашоу получават Нобелова награда през 1979 г. Теорията за електрослабото взаимодействие разглежда два типа фундаментални взаимодействия като прояви на едно, по-дълбоко. Така при разстояния над 10-17 cm преобладава електромагнитният аспект на явленията, при по-малки разстояния от в същата степенКакто електромагнитните, така и слабите аспекти са важни. Създаването на разглежданата теория означаваше, че обединени в класическа физика XIX век, в рамките на теорията на Фарадей-Максуел, електричество, магнетизъм и светлина през последната третина на XX век. допълнено от феномена на слабо взаимодействие.

Силно взаимодействиесъщо е открит едва през 20 век. Той задържа протоните в ядрото на атома, предотвратявайки разсейването им под въздействието на електромагнитни отблъскващи сили. Силното взаимодействие възниква на разстояния не повече от 10-13 cm и е отговорно за стабилността на ядрата. Ядрата на елементите в края на периодичната таблица са нестабилни, защото радиусът им е голям и съответно силното взаимодействие губи своята интензивност. Такива ядра са обект на разпад, който се нарича радиоактивен. Силното взаимодействие е отговорно за образуването на атомни ядра; в него участват само тежки частици: протони и неутрони. Ядрени взаимодействияне зависят от заряда на частиците; носителите на този вид взаимодействие са глуони. Глуоните се комбинират в глуонно поле (подобно на електромагнитно поле), поради което възниква силното взаимодействие. По силата си силното взаимодействие превъзхожда други познати и е източник на огромна енергия. Пример за силно взаимодействие са термоядрените реакции в Слънцето и други звезди. Принципът на силно взаимодействие беше използван за създаване на водородни оръжия.

Теорията на силното взаимодействие се нарича квантова хромодинамика.Според тази теория силното взаимодействие е резултат от обмена на глуони, което води до свързването на кварките в адроните. Квантовата хромодинамика продължава да се развива и въпреки че все още не може да се счита за пълна концепция за силното взаимодействие, въпреки това тази физическа теория има солидна експериментална основа.

В съвременната физика търсенето продължава единна теория, което би позволило да се обяснят и четирите типа фундаментални взаимодействия. Създаване подобна теорияби означавало и изграждането на единна концепция за елементарните частици. Този проект беше наречен „Великото обединение“. Основа за вярата, че подобна теория е възможна, е фактът, че на къси разстояния (по-малко от 10-29 cm) и при високи енергии (повече от 1014 GeV) електромагнитните, силни и слаби взаимодействия се описват по един и същи начин, което означава, че тяхната природа е обща. Това заключение обаче все още е само теоретично; все още не е възможно да се провери експериментално.

Различни конкуриращи се теории за Великото обединение тълкуват космологията (4.2) по различен начин. Например, предполага се, че в момента на раждането на нашата Вселена са съществували условия, при които и четирите фундаментални взаимодействия са се проявили по един и същи начин. Създаването на теория, която обяснява всичките четири типа взаимодействия на единна основа, ще изисква синтез на теорията на кварките, квантовата хромодинамика, съвременната космология и релативистката астрономия.

Въпреки това, търсенето на единна теория за четири типа фундаментални взаимодействия не означава, че е невъзможно възникването на други интерпретации на материята: откриването на нови взаимодействия, търсенето на нови елементарни частици и т.н. Някои физици изразяват съмнения относно възможността на единна теория. Така създателите на синергетиката И. Пригожин и И. Стенгерс в книгата „Време, хаос, квант“ пишат: „надеждата за изграждане на такава „теория на всичко“, от която може да се изведе пълно описание физическа реалност, ще трябва да бъдат изоставени” и обосновават тезата си със законите, формулирани в рамките на синергетиката (7.2).

Законите за запазване изиграха важна роля в разбирането на механизмите на взаимодействие на елементарните частици, тяхното образуване и разпадане. В допълнение към законите за запазване, действащи в макросвета (законът за запазване на енергията, законът за запазване на импулса и законът за запазване на ъгловия момент), във физиката на микросвета бяха открити нови: законът за запазване на барион, лептонни заряди, странност и др.

Всеки закон за запазване е свързан с някакъв вид симетрия в околния свят. Във физиката симетрията се разбира като инвариантност, неизменността на системата по отношение на нейните трансформации, тоест по отношение на промените в редица физически условия. немски математикЕма Ньотер установява връзка между свойствата на пространството и времето и законите за запазване на класическата физика. Фундаментална теорема на математическата физика, наречена теорема на Ньотер, гласи, че от хомогенността на пространството следва законът за запазване на импулса, от хомогенността на времето следва законът за запазване на енергията, а от изотропността на пространството следва законът за запазване на следва ъглов импулс. Тези закони са фундаментални по природа и са валидни за всички нива на съществуване на материята.

Законът за запазване и преобразуване на енергията гласи, че енергията не изчезва и не се появява отново, а само преминава от една форма в друга. Законът за запазване на импулса постулира постоянния импулс на затворена система във времето. Законът за запазване на ъгловия импулс гласи, че ъгловият импулс на система със затворен контур остава постоянен във времето. Законите за запазване са следствие от симетрията, т.е. инвариантността, неизменността на структурата на материалните обекти спрямо трансформациите или промените във физическите условия на тяхното съществуване.

Способността за взаимодействие е най-важното и неразделно свойство на материята. Именно взаимодействията осигуряват обединяването на различни материални обекти на мега-, макро- и микросвета в системи. Всички известни на съвременната наука сили се свеждат до четири вида взаимодействия, които се наричат ​​фундаментални: гравитационни, електромагнитни, слаби и силни.

Гравитационно взаимодействиеза първи път става обект на изучаване на физиката през 17 век. Теорията на И. Нютон за гравитацията, която се основава на закона за всемирното привличане, се превърна в един от компонентите на класическата механика. Всяка материална частица е източник на гравитационно влияние и го изпитва върху себе си. С увеличаване на масата се увеличават гравитационните взаимодействия, т.е. Колкото по-голяма е масата на взаимодействащите вещества, толкова по-силни са гравитационните сили. Гравитационните сили са сили на привличане. Гравитационното взаимодействие е най-слабото известно в момента. Гравитационната сила действа на много големи разстояния; нейният интензитет намалява с увеличаване на разстоянието, но не изчезва напълно. Смята се, че носителят на гравитационното взаимодействие е хипотетичната частица гравитон. В микросвета гравитационното взаимодействие не играе съществена роля, но в макро- и особено мегапроцесите играе водеща роля.

Електромагнитно взаимодействиестава обект на изучаване на физиката от 19 век. Първата унифицирана теория на електромагнитното поле е концепцията на Дж. Максуел. Електромагнитни взаимодействия съществуват само между заредени частици: електрическото поле е между две неподвижни заредени частици, магнитното поле е между две движещи се заредени частици. Електромагнитните сили могат да бъдат както сили на привличане, така и сили на отблъскване. Вероятно заредените частици се отблъскват, противоположно заредените частици се привличат. Носители на този вид взаимодействие са фотоните. Електромагнитното взаимодействие се проявява в микро-, макро- и мега-световете.

В средата на 20в. беше създаден квантова електродинамика– теорията за електромагнитното взаимодействие, която описва взаимодействието на заредени частици – електрони и позитрони. През 1965 г. нейните автори С. Томанага, Р. Файнман и Й. Швингер са удостоени с Нобелова награда.

Слабо взаимодействиее открит едва през 20 век, през 60-те години. е изградена обща теория на слабото взаимодействие. Слабата сила е свързана с разпадането на частиците, така че нейното откриване последва едва след откриването на радиоактивността. Физикът У. Паули предположи, че по време на процеса на радиоактивно разпадане на вещество заедно с електрон се освобождава частица с висока проникваща способност. По-късно тази частица е наречена "неутрино". Оказа се, че в резултат на слаби взаимодействия неутроните, които изграждат атомното ядро, се разпадат на три вида частици: положително заредени протони, отрицателно заредени електрони и неутрални неутрино. Слабото взаимодействие е много по-малко от електромагнитното, но по-голямо от гравитационното и за разлика от тях то се разпространява на малки разстояния - не повече от 10–22 см. Ето защо слабото взаимодействие не е наблюдавано експериментално дълго време време. Носителите на слабото взаимодействие са бозоните.

През 70-те години ХХ век е създадена обща теория за електромагнитното и слабо взаимодействие, т.нар теория на електрослабото взаимодействие.Неговите създатели С. Вайнберг, А. Сапам и С. Глашоу получават Нобелова награда през 1979 г. Теорията за електрослабото взаимодействие разглежда два вида фундаментални взаимодействия като проявления на едно, по-дълбоко. По този начин, на разстояния, по-големи от 10–17 cm, преобладава електромагнитният аспект на явленията; на по-къси разстояния, както електромагнитните, така и слабите аспекти са еднакво важни. Създаването на разглежданата теория означава, че обединените в класическата физика на 19 век, в рамките на теорията на Фарадей – Максуел, електричество, магнетизъм и светлина, през последната третина на 20 век. допълнено от феномена на слабо взаимодействие.

Силно взаимодействиесъщо е открит едва през 20 век. Той задържа протоните в ядрото на атома, предотвратявайки разсейването им под въздействието на електромагнитни отблъскващи сили. Силното взаимодействие възниква на разстояния не повече от 10–13 cm и е отговорно за стабилността на ядрата. Ядрата на елементите, разположени в края на таблицата D.I. Менделеев са нестабилни, защото радиусът им е голям и съответно силното взаимодействие губи интензитета си. Такива ядра са обект на разпад, който се нарича радиоактивен. Силното взаимодействие е отговорно за образуването на атомни ядра; в него участват само тежки частици: протони и неутрони. Ядрените взаимодействия не зависят от заряда на частиците; носителите на този вид взаимодействие са глуони. Глуоните се комбинират в глуонно поле (подобно на електромагнитно поле), поради което възниква силното взаимодействие. По силата си силното взаимодействие превъзхожда други познати и е източник на огромна енергия. Пример за силно взаимодействие са термоядрените реакции в Слънцето и други звезди. Принципът на силно взаимодействие беше използван за създаване на водородни оръжия.

Теорията на силното взаимодействие се нарича квантова хромодинамика.Според тази теория силното взаимодействие е резултат от обмена на глуони, което води до свързването на кварките в адроните. Квантовата хромодинамика продължава да се развива; тя все още не може да се счита за пълна концепция за силното взаимодействие, но има солидна експериментална основа.

В съвременната физика продължава търсенето на единна теория, която да обясни и четирите типа фундаментални взаимодействия. Създаването на такава теория би означавало и изграждане на единна концепция за елементарните частици. Този проект беше наречен „Великото обединение“. Основата за убеждението, че такава теория е възможна, е фактът, че на къси разстояния (по-малко от 10–29 cm) и при високи енергии (повече от 10 14 GeV) електромагнитните, силните и слабите взаимодействия се описват по един и същи начин. , което означава, че тяхната природа е обща. Това заключение обаче е само теоретично; все още не е възможно да се провери експериментално.

Законите за запазване изиграха важна роля в разбирането на механизмите на взаимодействие на елементарните частици, тяхното образуване и разпадане. В допълнение към законите за запазване, действащи в макросвета (законът за запазване на енергията, законът за запазване на импулса и законът за запазване на ъгловия момент), във физиката на микросвета бяха открити нови: законът за запазване на барионни, лептонни заряди и др.

През втората половина на 20 век, със създаването на ускорителите на заредени частици, във физиката са получени наистина удивителни резултати. Открити са много нови субатомни частици. Новите частици обикновено се откриват чрез наблюдение на реакциите на разсейване на вече известни частици. За целта ускорителите сблъскват частици с възможно най-голяма енергия и след това изучават продуктите от тяхното взаимодействие.

Светът на субатомните частици е наистина разнообразен. Към вече известните частици, от които са изградени атомите и молекулите (протони, неутрони, електрони), се добавят много други: мюони, мезони, хиперони, античастици, различни неутрални частици и др. Сред субатомните частици са открити и частици, които са в материята около нас практически никога не възниква - резонанси. Техният живот е най-малките части от секундата. След това изключително кратко време те се разпадат на обикновени частици.

През 1950-1970 г. физиците бяха напълно объркани от броя, разнообразието и странността на новооткритите субатомни частици. Ако в края на 1940 г. Докато са били известни 15 елементарни частици, в края на 70-те години те вече са около 400. Напълно неясно е защо има толкова много частици. Дали елементарните частици са просто произволни фрагменти от материя или може би има някакъв ред, скрит зад техните взаимодействия? Развитието на физиката през следващите десетилетия показа, че светът на субатомните частици се характеризира с дълбок структурен ред. Този ред се основава на фундаментални физически взаимодействия.

10.1. Фундаментални физически взаимодействия

10.1.1. Концепцията за фундаментално физическо взаимодействие.

В неговия Ежедневиеточовек е изправен пред много сили, действащи върху телата: силата на вятъра или водния поток; въздушно налягане; мощен взрив от експлозив химически вещества; човешка мускулна сила; тегло на предмети; налягане на светлинни кванти; привличане и отблъскване на електрически заряди; сеизмични вълни, понякога причиняващи катастрофални разрушения; вулканични изригвания, довели до смъртта на цивилизациите

ции и др. Някои сили действат директно при контакт с тялото, други, като гравитацията, действат от разстояние, през пространството. Но, както се оказа в резултат на развитието на естествените науки, въпреки такова голямо разнообразие, всички сили, действащи в природата, могат да бъдат сведени до четири основни взаимодействия.

В ред на нарастване на интензивността са представени тези фундаментални взаимодействия по следния начин: гравитационно взаимодействие; слабо взаимодействие; електромагнитно взаимодействие; силно взаимодействие. Именно тези взаимодействия в крайна сметка са отговорни за всички промени в природата; те са източникът на всички трансформации на материалните тела и процеси. Всяко от четирите фундаментални взаимодействия има прилики с останалите три и в същото време своите разлики.

На първо място, трябва да се каже какво е общото за тези фундаментални взаимодействия. С други думи: как съвременната физика разбира същността на взаимодействието? Както вече беше отбелязано, още в средата на 19 век. със създаването на теорията за електромагнитното поле стана ясно, че предаването на взаимодействието не става мигновено (принципът на действието на далечни разстояния), а с крайна скорост чрез някакъв посредник - поле, непрекъснато разпределено в пространството ( принцип на късо действие). Скоростта на разпространение на електромагнитното поле е равна на скоростта на светлината (виж 8.1.4).

Но още през първата четвърт на 20-ти век, с появата на квантовата механика, разбирането на физическото поле значително се задълбочи. В светлината на квантово-вълновия дуализъм всяко поле не е непрекъснато, а има дискретна структура; трябва да му съответстват определени частици, кванти на това поле. Например, квантите на електромагнитното поле са фотони. Когато заредените частици обменят фотони помежду си, това води до появата на електромагнитно поле. Фотоните са носители на електромагнитно взаимодействие.

По подобен начин други видове фундаментални взаимодействия имат свои собствени полета и съответните частици, които носят това полево взаимодействие. Изследването на специфични свойства, модели на тези полета и частици - носители на фундаментални взаимодействия - е основната задача съвременна физика.

10.1.2. Земно притегляне.

Гравитацията беше първото от четирите фундаментални взаимодействия, което стана обект на научни изследвания. Създаден през 17 век. Теорията на Нютон за гравитацията (закон за всемирното притегляне) направи възможно за първи път да се разбере истинската роля на гравитацията като природна сила (виж 6.4.1). Релативистката теория на гравитацията е Общата теория на относителността, която в областта на слабите гравитационни полета се трансформира в теорията на гравитацията на Нютон.

Гравитацията има редица характеристики, които рязко я отличават от другите фундаментални взаимодействия. Най-изненадващата характеристика на гравитацията е нейният нисък интензитет. Гравитационното взаимодействие е 1039 пъти по-малко от силата на взаимодействие на електрическите заряди. Поради това обикновено не се взема предвид при описанието на взаимодействията на елементарните частици. В микросвета гравитацията е незначителна.

1 Ако размерите на водороден атом се определят от гравитацията, а не от взаимодействието между електрическите заряди, тогава радиусът на най-ниската (най-близката до ядрото) електронна орбита би надвишил радиуса на видимата част от Вселената.

Как може толкова слаба сила да се превърне в доминираща сила във Вселената? Всичко е свързано с втората удивителна характеристика на гравитацията - нейната универсалност. Нищо във Вселената не може да избегне гравитацията. Всяка частица изпитва действието на гравитацията и сама по себе си е източник на гравитация, причинявайки гравитационно привличане. Гравитацията се увеличава с образуването на все по-големи и по-големи натрупвания на материя. И въпреки че привличането на един атом е незначително, получената сила на привличане от всички атоми може да бъде значителна. Това се проявява и в ежедневието: усещаме гравитацията, защото всички атоми на Земята заедно ни привличат.

Освен това гравитацията е природна сила на дълги разстояния. Това означава, че въпреки че интензивността на гравитационното взаимодействие намалява с разстоянието, то се разпространява в пространството и може да засегне тела, много отдалечени от източника. В астрономически мащаб гравитационните взаимодействия са склонни да играят основна роля. Благодарение на действието на далечни разстояния, гравитацията предотвратява разпадането на Вселената: тя държи планети в орбити, звезди в галактики, галактики в купове, купове в Метагалактика.

Гравитационната сила, действаща между частиците, винаги е сила на привличане: тя се стреми да сближи частиците. Гравитационно отблъскване никога не е било наблюдавано преди.

1 Въпреки че в традициите на квази-научната митология има цяла област, наречена левитация - търсенето на „факти“ на антигравитацията.

Много е трудно да се развият идеи за квантуване на гравитацията. Въпреки това, според общите теоретични и физически концепции, гравитационното взаимодействие трябва да се подчинява квантови закониточно като електромагнитни. (В противен случай възникват множество противоречия в основите на съвременната физика, включително тези, свързани с принципа на неопределеността и т.н.) В този случай гравитационното взаимодействие трябва да съответства на поле с гравитационен квант - гравитон (неутрална частица с нулев покой). маса и въртене 2). Квантовата гравитация води до появата на идеята за дискретни свойства на пространство-времето, концепциите за елементарна дължина, космически квант r ≈ 10-33 cm и елементарен времеви интервал, времеви квант t ≈ 10-43 s. Все още не е създадена последователна квантова теория на гравитацията.

За съжаление, възможностите на съвременната експериментална гравитационна физика и астрономия не ни позволяват да открием квантови ефектигравитация поради изключителната им слабост. Въпреки това очевидно съществуват явления, в които се проявяват квантовите свойства на гравитацията. Те се проявяват в много силни гравитационни полета, където протичат квантови процеси на създаване на частици (сингулярна точка, начални моментипроизход на Вселената, гравитационен колапс, черни дупки (виж 11.4 и 11.7)).

10.1.3. Електромагнетизъм.

Електрическите сили са много по-големи от гравитационните сили, така че, за разлика от слабото гравитационно взаимодействие, електрическите сили, действащи между тела с нормален размер, могат лесно да бъдат наблюдавани. Електромагнетизмът е познат на хората от незапомнени времена ( полярни сияния, светкавици и др.). Но дълго време електрическите и магнитните явления се изучават независимо едно от друго. И едва в средата на 19в. Дж. С. Максуел комбинира ученията за електричеството и магнетизма в единна теория за електромагнитното

няма поле. А съществуването на електрона (единица за електрически заряд) е твърдо установено през 1890-те години. Но не всички елементарни частици са носители на електрически заряд. Електрически неутрален, например фотон и неутрино. Ето как електричеството се различава от гравитацията. Всички материални частици създават гравитационно поле, докато с електрическо магнитно полеСвързани са само заредени частици.

Както електрическите заряди, така и магнитните полюси се отблъскват, а противоположните се привличат. Но за разлика от електрическите заряди, магнитните полюси не се срещат поотделно, а само по двойки - северен полюс и южен полюс. От древни времена са известни опити да се получи чрез разделяне на магнит само един изолиран магнитен полюс - монопол. Но всички те завършиха с провал. Може би е изключено съществуването на изолирани магнитни полюси в природата? Все още няма категоричен отговор на този въпрос. Някои съвременни теории допускат възможността за съществуването на магнитен монопол (вижте 10.3.5).

Електромагнитното поле на неподвижни или равномерно движещи се заредени частици е неделимо от тези частици. Но когато ускорено движениечастици, електромагнитното поле се „откъсва” от тях и участва в самостоятелна форма електромагнитни вълни. В този случай радиовълни (103-1012 Hz), инфрачервено лъчение(1012 - 3,7 1014 Hz), видима светлина (3,7 1014 - 7,5 1014 Hz), ултравиолетово лъчение (7,5 1014 - 3 1017 Hz), рентгеново лъчение (3 1017 - 3 1020 Hz) и гама-лъчение (3 102- 1023 Hz) са електромагнитни вълни с различни честоти. Освен това няма резки граници между съседните диапазони (дължината на електромагнитната вълна и нейната честота са свързани със съотношението: λ = c/v, където λ е дължината на вълната, v е честотата, c е скоростта на светлината) .

Електромагнитното взаимодействие (като гравитацията) е на дълги разстояния, забележимо е на големи разстояния от източника. Подобно на гравитацията, тя се подчинява на закона обратни квадрати. Електромагнитното взаимодействие се проявява на всички нива на материята – в мегасвета, макросвета и микросвета.

Електромагнитното поле на Земята се простира далеч в открития космос, мощното поле на Слънцето изпълва цялата Слънчева система; Има и галактически електромагнитни полета. В същото време електромагнитното взаимодействие определя структурата на атомите и молекулите (положително заредено ядро ​​и отрицателно заредени електрони). Той е отговорен за по-голямата част от физичните и химични явления и процеси (с изключение на ядрените): еластични сили, триене, повърхностно напрежение, определя свойствата агрегатни състояниявещества, химични трансформации, оптични явления, йонизационни явления, много реакции в света на елементарните частици и др.

10.1.4. Слабо взаимодействие.

Физиката се придвижи бавно към идентифициране на съществуването на слабото взаимодействие. Слабото взаимодействие е отговорно за разпада на частиците. Следователно неговото проявление се среща по време на откриването на радиоактивността и изследването на бета-разпадането (виж 8.1.5).

Установено е, че бета разпадането е силно странна особеност. Изглеждаше, че при този разпад законът за запазване на енергията беше нарушен, че част от енергията изчезна някъде. За да „запази“ закона за запазване на енергията, У. Паули предположи, че по време на бета-разпада друга частица излита заедно с електрона, отнасяйки със себе си липсващата енергия. Той е неутрален и има необичайно висока проникваща способност, поради което не може да бъде наблюдаван. Е. Ферми нарича невидимата частица "неутрино".

Но предсказването на неутрино е само началото на проблема, неговата формулировка. Беше необходимо да се обясни природата на неутриното; тук оставаше много мистерия. Факт е, че електрони и неутрино се излъчват от нестабилни ядра, но се знае, че вътре в ядрата няма такива частици. Как са възникнали? Оказа се, че неутроните, включени в ядрото, оставени на собствените си устройства, след няколко минути се разпадат на протон, електрон и неутрино. Какви сили причиняват такова разпадане? Анализът показа, че известни сили не могат да причинят такова разпадане. Очевидно е генериран от някаква друга, неизвестна сила, която съответства на някакво „слабо взаимодействие“.

Слабото взаимодействие е значително по-малко по величина от всички взаимодействия с изключение на гравитационното взаимодействие. Там, където присъства, неговите ефекти са засенчени от електромагнитните и силните взаимодействия. В допълнение, слабото взаимодействие се простира на много малки разстояния. Радиус на слабите

взаимодействието е много малко (10-16 cm). Следователно не може да повлияе не само на макроскопични, но дори и на атомни обекти и се ограничава до субатомни частици. Освен това, в сравнение с електромагнитните и силните взаимодействия, слабото взаимодействие е изключително бавно.

Когато започна лавинообразното откриване на много нестабилни субядрени частици, беше открито, че повечето от тях участват в слаби взаимодействия. Слабото взаимодействие играе много важна роля в природата. Той е неразделна част от термоядрените реакции в Слънцето и звездите, осигурявайки синтеза на пулсари и експлозии свръхнови, синтез на химични елементи в звездите и др.

Теорията за слабото взаимодействие е създадена в края на 60-те години. (вижте 10.3.3). Създаването на тази теория беше голяма стъпка към единството на физиката.

10.1.5. Силно взаимодействие.

Последното от поредицата фундаментални взаимодействия е силното взаимодействие, което е източник на огромна енергия. Най-характерният пример за освободената енергия силно взаимодействие, - Слънце. В дълбините на Слънцето и звездите непрекъснато протичат термоядрени реакции, причинени от силно взаимодействие (със значително участие на слабо взаимодействие). Но човекът също се е научил да предизвиква силно взаимодействие: създаден H-бомба, са проектирани и подобрени технологии за контролирана термоядрена реакция.

Физиката стигна до идеята за съществуването на силно взаимодействие по време на изследването на структурата на атомното ядро. Известна сила трябва да задържи положително заредените протони в ядрото, предотвратявайки ги да отлетят под въздействието на електростатично отблъскване. Гравитацията е твърде слаба, за да осигури това; Очевидно е необходимо някакво взаимодействие и то по-силно от електромагнитното. Впоследствие беше открито и наречено „силно взаимодействие“.

Оказа се, че въпреки че силното взаимодействие значително надвишава всички други фундаментални взаимодействия по своята величина, то не се усеща извън ядрото. Силното взаимодействие се проявява на разстояние, определено от

основни мерки, т.е. приблизително 10-13 см. Главна функциясилно взаимодействие в природата - създаване на силни връзки между нуклони (протони и неврони) в ядрата на атомите. В този случай сблъсъкът на ядра или нуклони с високи енергии води до различни ядрени реакции, включително реакции термоядрен синтезна Слънцето, което е основният източник на енергия на Земята.

В същото време се оказа, че не всички частици изпитват силно взаимодействие. Така протоните и неутроните го изпитват, но електроните, неутриното и фотоните не са подложени на него. Обикновено само тежки частици участват в силни взаимодействия.

Теоретичното обяснение на природата на силното взаимодействие беше трудно да се развие. Пробив се появява едва в началото на 60-те години на миналия век, когато е предложен кварковият модел. В тази теория неутроните и протоните се разглеждат не като елементарни частици, а като съставни системи, изградени от кварки (виж 10.3.2).

Така при фундаменталните физически взаимодействия разликата между силите на далечни и къси разстояния е ясно видима. От една страна, взаимодействия с неограничен радиус (гравитация, електромагнетизъм), а от друга - с малък радиус (силни и слаби). Светът на физическите процеси се разгръща в границите на тези две полярности и олицетворява единството на изключително малкото и изключително голямото - микросвета и мегасвета, елементарна частицаи цялата Вселена.

10.1.6. Проблемът за единството на физиката.

Знанието е обобщение на реалността и следователно целта на науката е търсенето на единство в природата, свързвайки различни фрагменти от знания в една картина. За да се създаде такъв единна система, трябва да отворите дълбокото свързваща връзкамежду различни индустриизнания. Намирането на такива връзки е една от основните задачи на научните изследвания. Винаги, когато е възможно да се установят такива нови връзки, разбирането на околния свят се задълбочава значително, формират се нови начини на познание, които сочат пътя към непознати досега явления.

Установяването на дълбоки връзки между различни области на природата е едновременно синтез на знания и нов метод, насочване Научно изследванепо непотъпканите пътища. По този начин идентифицирането на връзката между привличането на тела в земни условия и движението на планетите от Нютон бележи раждането на класическата механика, на базата на която се изгражда технологичната основа на съвременната цивилизация. Установяването на връзка между термодинамичните свойства на газа и хаотичното движение на молекулите поставя атомно-молекулярната теория на материята на солидна основа. В средата на миналия век Максуел създава сингъл електромагнитна теория, обхващащ както електрически, така и магнитни явления. Тогава през 1920г. Айнщайн се опитва да обедини електромагнетизма и гравитацията в една теория.

Но към средата на 20в. Ситуацията във физиката се промени коренно: бяха открити две нови фундаментални взаимодействия - силно и слабо. Докато създавате единна физикавече не трябва да се съобразяваме с две, а с четири фундаментални взаимодействия. Това донякъде охлади плама на онези, които се надяваха на бързо решение на проблема за единството на физиката. Самият план обаче не беше поставен под сериозно съмнение.

В съвременната теоретична физика доминиращата гледна точка е, че всичките четири (или поне три) взаимодействия са явления от едно и също естество и тяхната единна природа може да бъде намерена теоретично описание. Перспективата за създаване на единна теория за света на физическите елементи (базирана на едно фундаментално взаимодействие) е най-висшият идеал на съвременната физика. Това основна мечтафизици. Но дълго време това остана само мечта, и то много неясна.

Въпреки това през втората половина на 20в. имаше предпоставки за сбъдването на една мечта и увереността, че това в никакъв случай не е въпрос на далечно бъдеще. Изглежда скоро може да стане реалност. Решителната стъпка към единна теория е направена през 60-те и 70-те години на миналия век. със създаването първо на теорията за кварките, а след това и на теорията за електрослабото взаимодействие. Има основание да вярваме, че сме на прага на по-мощно и по-дълбоко обединение от всякога. Сред физиците нараства убеждението, че контурите на една обединена теория за силни, слаби и електромагнитни взаимодействия – Голямото обединение – започват да се очертават. И точно зад ъгъла е обединена теория за всички фундаментални взаимодействия - Супергравитацията.

10.2. Класификация на елементарните частици

10.2.1. Характеристики на субатомните частици.

През 20 век, особено през втората му половина, се открива нов дълбочинен слой от структурната организация на материята - светът на елементарните частици. Това име обаче не е точно. Под елементарната частица в точна стойностпо-нататъшно разбиране на неразложимите „градивни елементи“ на материята, които изграждат нейната структурна организация. Всъщност повечето от откритите частици се оказаха системни образувания, състоящи се от още по-елементарни частици. Следователно е по-правилно да се каже, че „светът на елементарните частици е специално ниво на организация на материята - субядрена материя, от чиито форми са структурирани ядрата и атомите на материята, физическите полета. Но тъй като терминът „елементарни частици” е утвърден и широко използван, ще го използваме в смисъла на „субядрена материя”.

Изследването на елементарните частици показва, че те се раждат и унищожават при взаимодействие с други елементарни частици. Освен това те могат спонтанно да се разпаднат. Всички тези трансформации на частици (разпадане, раждане, унищожаване) се осъществяват чрез последователни актове на поглъщане и излъчване на частици.

Свойствата на елементарните частици са разнообразни. Така всяка частица има своя собствена античастица, която се различава от нея само по знака на своя заряд. За частици с нулеви стойности на всички заряди, античастицата съвпада с частицата (например фотон). Всяка елементарна частица се характеризира със собствен набор от стойности на определени физически величини. Тези количества включват: маса, електрически заряд, спин, време на живот на частицата, магнитен момент, пространствен паритет, лептонен заряд, барионен заряд и др.

Общи характеристики на всички частици: маса, време на живот, спин. Когато говорят за масата на частица, те имат предвид нейната маса на покой, тъй като тя не зависи от състоянието на движение. Частица с нулева маса на покой се движи със скоростта на светлината (фотон). Няма две частици с еднаква маса. Електронът е най-леката частица с ненулева маса на покой. Протонът и неутронът са почти 2000 пъти по-тежки от електрона. А най-тежката елементарна частица, произведена в ускорители (Z-бозон), има маса 200 000 пъти по-голяма от масата на електрона.

Важна характеристика на частицата е спинът - собственият ъглов импулс на частицата. Така протон, неутрон и електрон имат спин 1/2, а спинът на фотона е 1. Известни са частици със спин 0,3/2,2. Частица със спин 0 изглежда еднакво при всеки ъгъл на въртене. Частица със спин 1 приема същата форма след пълно завъртане на 360°. Частица със спин 1/2 придобива предишния си вид след завъртане на 720° и т.н. Частица със спин 2 (хипотетичен гравитон) се връща в предишната си позиция след половин оборот (180°). В зависимост от спина всички частици се разделят на две групи: бозони - частици с цели спинове 0, 1 и 2; фермионите са частици с полуцели спинове (1/2, 3/2). Частици със спин по-голям от 2 може изобщо да не съществуват.

Частиците се характеризират и с продължителността на живота си. Въз основа на този критерий частиците се делят на стабилни и нестабилни. Стабилни частици са електрон, протон, фотон и неутрино. (Въпросът за стабилността на протона все още не е напълно разрешен. Възможно е той да се разпадне за t = 1031 години.) Неутронът е стабилен, когато е в ядрото на атома, но свободният неутрон се разпада за около 15 минути. Всички други известни частици са нестабилни; техният живот варира от няколко микросекунди до 10-24 s. Най-нестабилните частици са резонансите. Продължителността на живота им е 10-22—10-24 s.

Основна роля във физиката на елементарните частици играят законите за запазване, които установяват равенство между определени комбинации от величини, характеризиращи началното и крайното състояние на системата. Арсеналът от закони за запазване в квантовата физика е по-голям, отколкото в класическата физика. Той беше попълнен със закони за запазване на различни паритети (пространствени, зарядни), заряди (лептонни, барионни и др.), вътрешни симетрии, характерни за един или друг тип взаимодействие. Освен това, колкото по-интензивно е взаимодействието, на толкова повече закони за запазване отговаря, т.е. особено след като е симетричен. В квантовата физика законите за запазване винаги са закони за забрана. Но ако някакъв процес е разрешен от законите за опазване, тогава той задължително се случва в действителност.

Върхът на развитието на идеите за законите за запазване в квантовата физика е концепцията за спонтанно нарушаване на симетрията, т.е. наличието на устойчиви асиметрични решения за определени типове проблеми. През 1960-те години така нареченото нарушение на комбинираното

яснота. С други думи, беше открито, че в микрокосмоса има абсолютни разлики между частици и античастици, между „дясно” и „ляво”, между минало и бъдеще (стрелата на времето, или необратимостта, на микропроцесите, а не само на макропроцесите ).

Изолирането и познаването на характеристиките на отделните субатомни частици е важен, но само начален етап от разбирането на техния свят. На следващия етап все още трябва да разберем каква е ролята на всяка отделна частица, какви са нейните функции в структурата на материята.

Физиците са открили, че преди всичко свойствата на една частица се определят от нейната способност (или неспособност) да участва в силни взаимодействия. Частиците, участващи в силни взаимодействия, образуват специален клас и се наричат ​​адрони. Частиците, които участват предимно в слаби взаимодействия и не участват в силни взаимодействия, се наричат ​​лептони. Освен това има частици, които са носители на взаимодействия.

Нека разгледаме свойствата на тези основни типове частици.

10.2.2. лептони.

Лептоните се държат като точкови обекти, като не показват вътрешна структура дори при свръхвисоки енергии. Те се явяват елементарни (в собствения смисъл на думата) обекти, т.е. те не са съставени от никакви други частици. Въпреки че лептоните могат или не могат да имат електрически заряд, всички те имат спин от 1/2.

Сред лептоните най-известният е електронът. Електронът е първата открита елементарна частица. Електронът е носител на най-малката маса и най-малкия електрически заряд (без да броим кварките) в природата.

Друг добре известен лептон е неутриното. Неутриното, заедно с фотоните, са най-често срещаните частици във Вселената. Вселената може да си представим като безграничен фотонно-неутринен океан, в който понякога се срещат острови от атоми. Но въпреки преобладаването на неутрино, те са много трудни за изследване. Както вече отбелязахме, неутриното са почти неуловими и имат огромна проникваща способност, особено при ниски енергии. Без да участват нито в силни, нито в електромагнитни взаимодействия, те проникват през материята, сякаш тя изобщо не съществува. Неутриното са нещо като "призраци" физически свят. От една страна това усложнява откриването им, а от друга създава възможност за изследване на вътрешната структура на звезди, галактически ядра, квазари и др.

Една от интересните страници в историята на изучаването на неутриното е свързана с въпроса за тяхната маса: дали неутриното има маса на покой или не. Теорията допуска, че за разлика от фотона, неутриното може да има малка маса на покой. Ако неутриното наистина има маса на покой (изчислена от 0,1 eV до 10 eV), тогава това води до фундаментални последствия в теорията на Голямото обединение, космологията и астрофизиката. „Преследването“ на физиците за масата на неуловима частица, което продължава вече почти 60 години, изглежда е към своя край. Има основание да се смята, че проблемът ще бъде окончателно решен в нови експериментални съоръжения (Япония, Италия) през следващите години.

Мюоните са доста широко разпространени в природата, като представляват значителна част от космическата радиация. Мюонът е една от първите известни нестабилни субатомни частици, открита през 1936 г. Във всички отношения мюонът прилича на електрон: има същия заряд и спин, участва в същите взаимодействия, но има по-голяма маса и е нестабилен. За около две милионни от секундата мюонът се разпада на електрон и две неутрино. Прониквайки в материята, мюоните взаимодействат с ядрата и електроните на атомите и образуват необичайни съединения. Положителен мюон, свързващ електрон към себе си, образува система, подобна на водородния атом - мюоний, чиито химични свойства са в много отношения подобни на свойствата на водорода. А отрицателният мюон може да замени един от електроните на електронната обвивка, образувайки така наречения мезоатом. В мезоатом мюоните са разположени стотици пъти по-близо до ядрото, отколкото електроните. Това позволява мезоатомът да се използва за изследване на формата и размера на ядрото.

В края на 1970-те години. Открит е трети зареден лептон, наречен тау лептон. Това е много тежка частица. Масата му е около 3500 от тази на електрон, но във всички останали аспекти се държи като електрон и мюон.

Списъкът на лептоните се разширява значително през 60-те години. Установено е, че има няколко вида неутрино: електронни неутрино, мюонни неутрино и майски неутрино. Така общият брой на разновидностите на неутрино е три, а общият брой на лептоните е шест. Разбира се, всеки лептон има своя собствена античастица; така общият брой на различните лептони е 12. Неутралните лептони участват само в слабото взаимодействие; заредени - в слабите и електромагнитни (виж таблицата).

10.2.3. адрони.

Ако има само 12 лептона, тогава има стотици адрони. По-голямата част от тях са резонанси, т.е. изключително нестабилни частици. Фактът, че има стотици адрони предполага, че самите адрони са изградени от повече фини частици.

Всички адрони се срещат в две разновидности - електрически заредени и неутрални. Най-известните и широко разпространени адрони са неутронът и протонът. Останалите адрони бързо се разпадат. Адроните се делят на два класа. Това е клас бариони (тежки частици) (протони, неутрони, хиперони и барионни резонанси) и голямо семейство от по-леки мезони (мюони, бозонови резонанси и др.).

Съществуването и свойствата на повечето известни адрони са установени в експерименти с ускорители. Откриване на голямо разнообразие от адрони през 1950-те и 1960-те години. физиците бяха изключително озадачени. Но с течение на времето частиците бяха класифицирани по маса, заряд и спин. Постепенно започна да се очертава повече или по-малко ясна картина. Появиха се конкретни идеи как да се систематизира хаосът от емпирични данни и да се разкрие мистерията на адроните по холистичен начин. научна теория. Решителната стъпка е направена през 1963 г., когато е предложен кварковият модел на адроните.

10.2.4. Частиците са носители на взаимодействия.

Списъкът на известните частици не се ограничава до лептони и адрони, които образуват строителния материал на материята. Има и друг вид частици, които не са градивният материал на материята, а директно осигуряват фундаментални взаимодействия, т.е. образуват вид „лепило“, което предотвратява разпадането на материята.

Носителят на електромагнитното взаимодействие е фотонът. Теорията на електромагнитното взаимодействие е представена от квантовата електродинамика (виж 10.3.1).

Глуоните (те са общо осем) са носители на силното взаимодействие между кварките. Последните, благодарение на глуоните, са свързани по двойки или тройки (вижте 10.3.2 и 10.3.4).

Носители на слабото взаимодействие са три частици - W± и Z° -бозони (виж 10.3.3). Те са открити едва през 1983 г. Радиусът на слабото взаимодействие е изключително малък, така че неговите носители трябва да са частици с големи масимир. Според принципа на неопределеността, времето на живот на частици с такава голяма маса на покой трябва да бъде изключително кратко - само около 10-26 s.

Предполага се, че е възможно и съществуването на носител на гравитационното поле, гравитон (виж 10.1.2). Подобно на фотоните, гравитоните се движат със скоростта на светлината; следователно това са частици с нулева маса на покой. Но докато фотонът има спин 1, гравитонът има спин 2. Това важна разликаопределя посоката на силата: при електромагнитно взаимодействие еднакво заредените частици (електрони) се отблъскват, а при гравитационно взаимодействие всички частици се привличат една към друга.

Особено важно е, че всяка група от тези носители на взаимодействие се характеризира със свои специфични закони за опазване. И всеки закон за запазване може да бъде представен като проява на определена вътрешна симетрия на уравненията на полето (движението). Това обстоятелство се използва за изграждане на единна теория за фундаменталните взаимодействия.

Класификацията на частиците на адрони, лептони и носители на взаимодействия изчерпва света на познатите ни субядрени частици. Всеки тип частица играе своята роля във формирането на структурата на материята, Вселената.

10.3. Теории за елементарни частици

10.3.1. Квантова електродинамика.

Квантовата механика ни позволява да опишем движението на елементарните частици, но не и тяхното създаване или унищожаване, т.е. се използва само за описание на системи с постоянен брой частици. Обобщение на квантовата механика е квантовата теория на полето - това е теорията на системите с безкраен бройстепени на свобода (физични полета), като се вземат предвид изискванията както на квантовата механика, така и на теорията на относителността. Необходимостта от такава теория е породена от квантово-вълновия дуализъм, съществуването вълнови свойстваза всички частици. В квантовата теория на полето взаимодействието се представя като резултат от обмена на полеви кванти, а полевите количества се декларират от оператори, които са свързани с актовете на раждане и унищожаване на полеви кванти, т.е. частици.

В средата на 20в. е създадена теория за електромагнитното взаимодействие - квантовата електродинамика (КЕД). Това е теория за взаимодействието на електромагнитното поле и заредените частици, както и заредените частици (предимно електрони или позитрони) помежду си, обмислена до най-малкия детайл и оборудвана с перфектен математически апарат. Тази теория отговаря на основните принципи както на квантовата теория, така и на относителността.

В QED, за да се опише електромагнитното взаимодействие, се използва концепцията за виртуален фотон, който се „вижда“ само от заредени частици, подложени на разсейване. Ако в класическото описание електроните са представени като топка с твърда точка, тогава в QED електромагнитното поле, заобикалящо електрона, се разглежда като облак от виртуални фотони, който безмилостно следва електрона, заобикаляйки го с енергийни кванти. Фотоните се появяват и изчезват много бързо, а електроните не се движат в пространството по точно определени траектории. Можете също така да определите първоначалния и крайна точкапътеки - преди и след разсейването, но самият път в интервала между началото и края на движението остава несигурен.

Помислете например за акта на излъчване на (виртуален) фотон от електрон. След като електрон излъчи фотон, той произвежда (виртуална) двойка електрон-позитрон, която може да анихилира, за да образува нов фотон. Последният може да бъде абсорбиран от оригиналния електрон, но може да генерира нов чифти т.н. Така електронът се покрива с облак от виртуални фотони, електрони и позитрони, които се намират в състояние на динамично равновесие.

В QED взаимодействието на електромагнитно поле и заредена частица се проявява под формата на излъчване и поглъщане на виртуални фотони от частицата. А взаимодействието между заредените частици се тълкува като резултат от техния обмен на фотони: всяка заредена частица излъчва фотони, които след това се абсорбират от друга заредена частица. Освен това QED разглежда ефекти, които изобщо не са съществували в класическата електродинамика. Първо, това е ефектът на разсейване на светлината от светлина, т.е. взаимодействието на фотоните един с друг. От гледна точка на QED, такова разсейване е възможно поради взаимодействието на фотони с флуктуации на електрон-позитронния вакуум. И второ, QED предсказа раждането на двойки частица-античастица в силни електромагнитни и гравитационни полета, сред които може да има нуклон-антинуклон.

QED е тестван в голям брой много фини експерименти. Теоретичните прогнози и резултатите от експерименталните тестове съвпадат с най-висока точност- понякога до девет знака след десетичната запетая. Подобно поразително съответствие дава право да се счита QED за най-напредналия от съществуващите. естественонаучни теории. За създаването на QED С. Томонага, Р. Файнман и Дж. Швингер са удостоени с Нобелова награда през 1965 г. Голям принос за развитието на QED има и нашият изключителен теоретичен физик Л.Д. Ландау.

След този триумф QED беше приет като модел за квантовото описание на другите три фундаментални взаимодействия. (Разбира се, полетата, свързани с други взаимодействия, трябва да съответстват на други частици носители.) В момента QED действа като неразделна част от повече обща теория— единна теория за слаби и електромагнитни взаимодействия (виж 10.3.3).

10.3.2. Теория на кварките.

Теорията на кварките е теория за структурата на адроните. Основната идея на тази теория е много проста: всички адрони са изградени от по-малки частици - кварки. Кварките носят частичен електрически заряд, който е -1/3 или +2/3 от заряда на електрона. Комбинация от два и три кварка може да има нетен заряд равен на нулаили единица. Всички кварки имат спин 1/2, следователно те се класифицират като фермиони. Основателите на кварковата теория са Гел-Ман и Цвайг, за да се вземе предвид всичко известно през 60-те години на миналия век. адрони, въведе три вида (вкусове) кварки: and (отгоре - горен), d (отдолу - долен) и s (от strange - странен).

1 Терминът „кварк“ е избран напълно произволно. В романа „Бъдене по Финеган“ от Дж. Джойс, героят има сън, в който чайки, които се втурват над бурно море, викат с остри гласове: „Три кварка за г-н Марк!“ Този подход напълно отговаря на изключително абстрактния характер на концепциите на съвременните физични теории.

Освен това всеки кварк има аналог на електрически заряд, който служи като източник на глуонното поле. Наричаше се цвят. Ако електромагнитното поле се генерира от заряд само от един тип, тогава по-сложното глуонно поле се създава от три различни по цвят заряда. Всеки кварк е „оцветен“ в едно от трите възможни цветове, които (съвсем произволно) бяха наречени червени, зелени и сини. И съответно антикварките са античервени, антизелени и антисини.

1 Както при термина „кварк“, терминът „цвят“ тук е избран произволно и няма нищо общо с обикновения цвят.

Кварките могат да се комбинират един с друг по един от двата възможни начина: или в триплети, или в двойки кварк-антикварк. Относително тежките частици - барионите - са съставени от три кварка; Най-известните бариони са неутронът и протонът. Например протонът се състои от два u-кварка и един d-кварк (uud), а неутронът се състои от два d-кварка и един u-кварк (udd). По-леките двойки кварк-антикварк образуват частици, наречени мезони. Например положителният пи-мезон се състои от u-кварк и d¯-кварк, а отрицателният пи-мезон се състои от u¯-кварк и d-кварк. За да се предотврати разпадането на това „трио“ кварки, е необходима задържаща сила, един вид „лепило“. И „цветните заряди“ на кварките се компенсират колективно, така че в резултат адроните се оказват „бели“ (или безцветни).

Оказа се, че взаимодействието между неутрони и протони в ядрото е остатъчен ефект от по-мощното взаимодействие между самите кварки. Това обясняваше защо силната сила изглеждаше толкова сложна и защо свободните кварки не бяха открити. Когато протон се „залепи“ за неутрон или друг протон, взаимодействието включва шест кварка, всеки от които взаимодейства с всички останали. Значителна част от енергията се изразходва за здраво „залепване“ на трио от кварки, а малка част се изразходва за закрепване на две трио от кварки един към друг.

Фактът, че всички известни адрони могат да бъдат получени от различни комбинации от трите фундаментални частици, беше триумф за теорията на кварките. Но през 1970г. бяха открити нови адрони (пси частици, ипсилон мезон и др.). Това нанесе тежък удар на първата версия на кварковата теория, тъй като в нея нямаше място за нито една нова частица. всичко възможни комбинациина кварките и техните антикварки вече са изчерпани. Проблемът беше решен чрез въвеждане на три нови вкуса. Те се наричаха чар (чар), или с; b (от beauty - красота или чар) и t (от top - връх).

И така, кварките се държат заедно в резултат на силно взаимодействие. Носителите на последните са глуони (цветни заряди). Областта на физиката на елементарните частици, която изучава взаимодействието на кварките и глуоните, се нарича квантова хромодинамика. Точно както квантовата електродинамика е теорията за електромагнитното взаимодействие, квантовата хромодинамика е теорията за силното взаимодействие (вижте 10.3.4).

В момента повечето физици смятат кварките за наистина елементарни частици – точковидни, неделими и без вътрешна структура. В това отношение те приличат на лептони и отдавна се предполага, че трябва да има дълбока връзка между тези две различни, но структурно подобни семейства.

1 През 1969 г. беше възможно да се получат преки физически доказателства за съществуването на кварки в серия от експерименти върху разсейването на електрони (ускорени до високи енергии) от протони. Експериментът показа, че разсейването на електроните се случва, сякаш електроните се удрят в малки твърди включвания и отскачат от тях под най-невероятни ъгли. Такива твърди включвания вътре в протоните са кварки.
2 Вярно е, че някои физици (тъй като броят на кварките се оказва прекалено голям) се изкушават да приемат, че кварките се състоят от още по-малки частици.

Така в края на 20в. най-вероятният брой на истински елементарни частици (без да се броят носителите на фундаментални взаимодействия) е 48: лептони (6. 2) = 12 плюс кварки (б. 3). 2 = 36. Тези 48 частици са истинските „градивни елементи“ на материята, основата на материалната организация на света.

10.3.3. Теория на електрослабото взаимодействие.

Понятия за калибровъчно поле и спонтанно нарушаване на симетрията. През 1960-те години В естествената наука се случи изключително събитие: две фундаментални взаимодействия от четири във физиката бяха комбинирани в едно. Електромагнитните и слабите взаимодействия, на пръв поглед много различни по природа, се появиха като разновидности на едно електрослабо взаимодействие. Картината на фундаменталните взаимодействия стана малко по-проста.

Теорията за електрослабото взаимодействие в окончателния си вид е създадена от двама независимо работещи физици - С. Вайнберг и А. Салам. Неразделна част от тази теория е теорията за слабото взаимодействие, която се развива едновременно и в тясна връзка с теорията за електрослабото взаимодействие.

Създаването на теорията за електрослабото взаимодействие оказва дълбоко и решаващо влияние върху развитието на физиката на елементарните частици през втората половина на 20 век. Основната идея на тази теория беше да се опише слабото взаимодействие по отношение на концепцията за калибровъчно поле, ключът към която е концепцията за симетрия. Тук трябва специално да се отбележи, че една от основните идеи на физиката от втората половина на 20 век. е вярата, че всички взаимодействия съществуват само за да поддържат определен набор от абстрактни симетрии в природата. Но, изглежда, какво общо има симетрията с фундаменталните взаимодействия? В края на краищата, на пръв поглед твърдението за съществуването на такава връзка изглежда пресилено, спекулативно и изкуствено. Нека разгледаме този въпрос по-подробно.

Първо, какво се има предвид под симетрия? Общоприето е, че обектът е симетричен, ако остане непроменен след една или друга операция по трансформирането му. С други думи, в самото в общ смисълсиметрия означава инвариантност на структурата на даден обект по отношение на неговите трансформации. Във връзка с физиката това означава, че симетрията е инвариантност физическа система(закони, които го характеризират, и съответните количества) по отношение на някои специфични трансформации. (Например, законите на електричеството са симетрични по отношение на заместването положителни зарядиотрицателен и обратното; и затворените механични системи са симетрични по отношение на времето и т.н.)

От това следва, че физическата система в нейните съществени свойства се определя от набора (групата) от нейните симетрични трансформации. Ако група от трансформации е свързана с определено пространство, надарено със симетрична структура, съответстваща на трансформациите, тогава самият обект може да бъде представен като елемент от такова пространство (тъй като трансформациите на обекта са в този случай трансформации на пространството) . В този случай изследването на симетриите на даден обект се свежда до изследване на инвариантните характеристики на дадено пространство.

Математически инструмент за анализиране на симетрични трансформации е теорията на групите. И така, за решаване специфични задачиИзползва се следният подход. Първо, уравнението определя някакво векторно пространство. След това се изучава групата инвариантни преобразувания на такова уравнение. Всеки елемент от групата може да бъде свързан с някаква трансформация в векторно пространстворешения на това уравнение. Познаването на връзките между елементите на групата и този вид трансформация позволява в много случаи да се намерят решения на уравнението. А това означава да се установи съществуването на реални симетрични свойства на обекта, с които дадено пространство може да бъде съотнесено.

1 Под група в най-общия смисъл в математиката се разбира непразно множество, върху което е дефинирана някаква двоична алгебрична операция, дефинирана е елементарната единица на това множество и неговият обратен елемент. (По-специално, в геометрията групата е съвкупността от всички ортогонални (огледални) трансформации, които съчетават фигура със себе си.) Теорията на групите като независима област на математиката се оформя през началото на 19 век— XX век (M.S. Lee и други), базирани на идеи, развити през 19 век. в теорията на решенията алгебрични уравненияв радикалите (Н. Абел, Е. Галоа), “Ерлангенска програма” на Ф. Клайн, теория на числата (К. Гаус и др.).

Изследването на симетриите на уравненията на теорията на полето изигра важна роля в развитието на релативистката квантова теория. В най-общ план такива симетрии се делят на външни, свързани със свойствата на пространство-времето, и вътрешни, свързани със свойствата на елементарните частици. Пример за външна симетрия е симетрията на законите на квантовите обекти по отношение на пространствената инверсия (P), обръщането на времето (T) и спрежението на заряда (C), т.е. замяна на частици със съответната античастица. Беше доказана важната „CPT теорема“, според която уравненията на квантовата теория на полето не променят формата си, ако едновременно се извършват следните трансформации:

вкарване на частица в античастица, извършване на пространствена инверсия (заменете координатата на частицата r с -r), обръщане на времето (заменете t с -t). Експерименталното откриване на отделни нарушения на тази теорема за слаби взаимодействия е предпоставка за идеята за възможността за спонтанно нарушаване на симетриите в микрокосмоса като цяло.

Но освен външните, има и вътрешни симетрии, свързани със свойствата на самите частици, а не със свойствата на пространство-времето. Както вече отбелязахме, всяка група частици се характеризира предимно със свои специфични закони за запазване. И всеки от законите за запазване се разглежда като проява на определена вътрешна симетрия на уравненията на полето. Чрез свързването на определени вътрешни симетрии може, така да се каже, да се направи преход от описание на характеристиките на една частица към описание на характеристиките на друга. По този начин, чрез „изключване“ на законите за запазване, присъщи на електромагнитните и слабите взаимодействия в уравненията на полето, ние стигаме до пълна идентификация на протона и неврона; те стават неразличими един от друг.

Сред вътрешните симетрии на уравненията на полето, съответстващи на законите за запазване, калибровъчните симетрии играят специална роля. Няколко думи за калибровъчните симетрии като цяло. Една система има калибровъчна симетрия, ако основните й свойства остават непроменени, когато нивото, мащабът или стойността на някаква физическа величина се променят. Например във физиката работата зависи от разликите във височините, а не от абсолютните височини; напрежение - от потенциалната разлика, а не от абсолютните им стойности и др.

Трансформациите на калибровъчната симетрия могат да бъдат глобални или локални. Глобалните трансформации променят системата като цяло, в целия й пространствено-времеви обем. В квантовата физика това се изразява във факта, че във всички точки на пространство-времето стойностите на вълновата функция претърпяват същата промяна. Локалните калибровъчни трансформации са трансформации, които варират от точка до точка. В такъв случай вълнова функциявъв всяка точка се характеризира със собствена специална фаза, която съответства на определена частица.

Анализът показа, че в квантовата теория на полето глобалната калибровъчна трансформация може да се превърне в локална. В този случай в уравненията на движението задължително се появява член, който отчита взаимодействието на частиците. Това означава, че за комуникация и поддържане на симетрия във всяка точка в пространството са необходими нови силови полета - калибровъчни. С други думи, калибровъчната симетрия предполага наличието на векторни калибровъчни полета, чиито кванти обменят частиците, осъществявайки това взаимодействие. По този начин, силовите полета могат да се разглеждат като средство, чрез което се създават локални калибровъчни симетрии, присъщи на природата. Значението на концепцията за калибровъчна симетрия е, че на нейна основа са теоретично моделирани всички четири фундаментални взаимодействия, разглеждани като калибровъчни полета.

Електромагнетизмът има най-простата калибровъчна симетрия. С други думи, електромагнитното поле не е просто определен тип силови полета, съществуващи в природата, а проява на най-простите (съвместими с принципите специална теорияотносителност) калибровъчна симетрия, при която калибровъчните трансформации съответстват на промените в потенциала от точка до точка.

Доктрината за електромагнетизма се е развивала в продължение на векове на базата на усърдни емпирични изследвания, но се оказва, че резултатите от тези изследвания могат да бъдат изведени чисто теоретично, въз основа на познаването само на две симетрии - най-простата локална калибровъчна симетрия и т.нар. Симетрия на Лоренц-Поанкаре на специалната теория на относителността. Въз основа само на съществуването на тези две симетрии, без да се провежда нито един експеримент върху електричеството и магнетизма, могат да се конструират уравненията на Максуел, да се изведат всички закони на електромагнетизма, да се докаже съществуването на радиовълни, възможността за създаване на динамо и т.н.

За да се представи слабото поле на взаимодействие като калиброво поле, първо беше необходимо да се установи точната форма на съответната калибрована симетрия. Факт е, че симетрията на слабото взаимодействие е много по-сложна от тази на електромагнитното взаимодействие, тъй като самото слабо взаимодействие е по-сложно. Това се илюстрира от редица обстоятелства. По този начин слабите взаимодействия често включват частици от поне четири различни типа (при разпадането на неутрон, например неутрон, протон, електрон и неутрино). В допълнение, действието на слабите сили води до промяна в тяхната природа (превръщането на едни частици в други поради слабо взаимодействие). Напротив, електромагнитното взаимодействие не променя природата на участващите в него частици.

Оказа се, че за поддържане на симетрията на слабото взаимодействие са необходими три нови силови полета, за разлика от едно електромагнитно поле. Това означава, че трябва да има три нови вида частици – носители на взаимодействие, по една за всяко поле. Те се наричат ​​тежки векторни бозони със спин-1 и са носители на слабата сила. W+ и W- частиците са носители на две от трите полета, свързани със слабото взаимодействие. Третото поле съответства на електрически неутрална частица носител, наречена Z° частица. Съществуването на Z° частица означава, че слабото взаимодействие може да не бъде придружено от пренос на електрически заряд.

Концепцията за спонтанното нарушаване на симетрията изигра ключова роля в създаването на теорията за електрослабото взаимодействие. Някои физически системи, които имат определена симетрия, могат да я загубят в случаите, когато симетричното състояние е енергийно неблагоприятно (няма минимална енергия), а енергийно благоприятното състояние няма първоначалната симетрия и е двусмислено. Тази неяснота се изразява математически във факта, че уравнението на движението на дадена физическа система е представено не от едно решение, а от поредица от решения, които нямат първоначалната симетрия. В крайна сметка от тази поредица от решения едно е внедрено. В края на краищата, не всяко решение на проблем трябва да има всички свойства на първоначалното си ниво. И следователно, частици, които са напълно различни при ниски енергии, при високи енергии, всъщност могат да се окажат една и съща частица, но разположена в различни състояния. По този начин, идеята на Уайнбърг и Салам за спонтанната симетрия, разбиваща единния електромагнетизъм и слабата сила в единна теория на полето.

Теорията на Weinberg-Salam представя само четири полета: електромагнитни и три полета, съответстващи на слаби взаимодействия. В тази теория фотоните и тежките векторни бозони (W± и Z°) имат общ произход и са тясно свързани помежду си. В допълнение, постоянен в цялата страна

Това е скаларно поле (т.нар. поле на Хигс), с което фотоните и векторните бозони взаимодействат по различен начин, което определя разликата в техните маси. Квантите на скаларното поле са масивни елементарни частици с нулев спин. Те се наричат ​​​​Хигс (по името на физика П. Хигс, който предполага съществуването им). Броят на такива бозони на Хигс може да достигне няколко десетки.

1 Наскоро беше съобщено за експериментално откриване на Хигс бозони. Резултатите от този експеримент в момента се проверяват.

Защо електромагнитните и слабите взаимодействия имат толкова различни свойства? Теорията на Вайнберг-Салам обяснява тези разлики чрез нарушаване на симетрията. Ако симетрията не беше нарушена, тогава и двете взаимодействия биха били сравними по величина. Първоначално W и Z квантите нямат маса, но поради нарушаване на симетрията, някои частици на Хигс се сливат с W и Z частици, придавайки им маса. Но фотонът не участва в този процес на сливане с частиците на Хигс и следователно няма маса на покой. Нарушаването на симетрията води до рязко намаляване на слабото взаимодействие, тъй като то е пряко свързано с масите на W и Z частиците. Можем да кажем, че слабото взаимодействие е толкова малко, защото W и Z частиците са много масивни.

Лептоните рядко се доближават до толкова малки разстояния (r = 10-18 m), при които обменът на тежки векторни бозони става възможен. Но при високи енергии (повече от 100 GeV), когато W и Z частици могат да се произвеждат свободно, обменът на W- и Z-бозони е толкова лесен, колкото обменът на фотони (безмасови частици), разликата между фотони и бозони е изтрити. При тези условия трябва да има пълна симетрия между електромагнитното и слабото взаимодействие - електрослабото взаимодействие.

Най-убедителен експериментална проверкаНовата теория трябваше да потвърди съществуването на хипотетичните W- и Z-частици. Откриването им през 1983 г. става възможно едва със създаването на много мощни ускорители най-нов типи означаваше триумфа на теорията на Вайнберг-Салам. Беше категорично доказано, че електромагнитната и слабите сили са два компонента на една единствена електрослаба сила.

През 1979 г. С. Вайнберг, А. Салам и С. Глашоу получават Нобелова награда за създаването на теорията за електрослабото взаимодействие.

10.3.4. Квантова хромодинамика.

Следващата стъпка по пътя към разбирането на фундаменталните взаимодействия е създаването на теория за силното взаимодействие. За да направите това, е необходимо да придадете характеристиките на калибровъчно поле на силното взаимодействие. Последното може да бъде представено като резултат от обмяната на глуони, което осигурява свързването на кварките (по двойки или тройки) в адрони (виж 10.3.2). Обменът на глуони променя "цвета" на кварките, но оставя други характеристики непроменени, т.е. запазва тяхното разнообразие („аромат“).

Теорията за силното взаимодействие е създадена по същата схема като теорията за слабото взаимодействие. Изискването за локална калибровъчна симетрия (т.е. инвариантност по отношение на промените в „цвята“ във всяка точка в пространството) води до необходимостта от въвеждане на компенсиращи силови полета. Необходими са общо осем нови компенсиращи силови полета. Частиците носители на тези полета са глуони. По този начин теорията предполага, че трябва да има до осем различни вида глуони.

Подобно на фотоните, глуоните имат нулева маса на покой и спин 1. Глуоните също имат различни цветове, но не чисти, а смесени; глуоните се състоят от "цвят" и "антицвят" (например синьо-анти-зелено). Следователно излъчването или поглъщането на глуон е придружено от промяна в цвета на кварка („игра на цветове“). Например, червен кварк, губейки червен-анти-син глуон, се превръща в син кварк, а зелен кварк, поглъщайки син-анти-зелен глуон, се превръща в син кварк.

От гледна точка на квантовата хромодинамика (квантовата теория на цвета), силното взаимодействие не е нищо повече от желанието да се поддържа определена абстрактна симетрия на природата: запазване на белия цвят на всички адрони, когато цветът им се промени компоненти- кварки. В един протон, например, три кварка постоянно обменят глуони, променяйки цвета си. Това обаче

Тези промени не са произволни по природа, а се подчиняват на строго правило: във всеки един момент „общият“ цвят на три кварка трябва да бъде бяла светлина, т.е. сумата „червено + зелено + синьо“. Това се отнася и за мезони, състоящи се от двойка кварк-антикварк. Тъй като антикварк се характеризира с антицвят, такава комбинация е очевидно безцветна („бяла“), например, червен кварк в комбинация с античервен кварк образува безцветен („бял“) мезон.

1 Лептоните, фотоните и междинните бозони (W- и Z-частици) не носят цвят и следователно не участват в силното взаимодействие).

Квантовата хромодинамика обяснява перфектно правилата, на които се подчиняват всички комбинации от кварки, взаимодействието на глуоните помежду си (един глуон може да се разпадне на два глуона или два глуона да се слеят в един - затова в уравнението на глуонното поле се появяват нелинейни членове), взаимодействието на кварки и глуони като QED (кварки, покрити с облаци от виртуални глуони и двойки кварк-антикварк), сложната структура на адрон, състоящ се от кварки, „облечени“ в облаци и др.

Може да е преждевременно да се оцени квантовата хромодинамика като окончателна и пълна теория за силното взаимодействие, но нейният експериментален статус е доста силен и нейните постижения са обещаващи.

10.3.5. По пътя към Великото обединение.

Със създаването на квантовата хромодинамика се появи надежда за изграждането на единна теория за всички (или поне три от четири) фундаментални взаимодействия. Модели, които описват три (силни, слаби, електромагнитни) от четирите фундаментални взаимодействия по единен начин, се наричат ​​модели на Grand Unified.

Опитът от успешното комбиниране на слаби и електромагнитни взаимодействия въз основа на идеята за полетата на измерване предложи възможни начинипо-нататъшно развитие на принципа за единство на физиката, обединяване на фундаменталните физически взаимодействия. Един от тях се базира на невероятен факт, че константите на взаимодействие на електрослабите и силните взаимодействия при преход към малки разстояния (т.е. към високи енергии) стават равни една на друга при една и съща енергия. Тази енергия беше наречена енергия на обединението. Тя е приблизително 1014-1016 GeV; съответства на разстояние = 10-29 см.

При енергии над 1014-1016 GeV или на разстояния по-малки от 10-29 cm силните, слабите и електромагнитните взаимодействия се описват с една константа, т.е. имат обща природа. Кварките и лептоните са практически неразличими тук, а глуоните, фотоните и векторните бозони W± и Z° са кванти на калибровъчни полета с една калибрована симетрия. В края на краищата, ако електрослабите и силните взаимодействия всъщност са само двете страни на Великото обединено взаимодействие, тогава последното трябва също да съответства на калибровъчно поле с някои сложна симетрия. Тя трябва да бъде достатъчно обща, за да покрие всички калибровъчни симетрии, съдържащи се както в квантовата хромодинамика, така и в теорията за електрослабото взаимодействие. В същото време неговият спонтанен разпад трябва да доведе до разделяне на електрослабите и силните взаимодействия. Намирането на такава симетрия е основната задача за създаване на единна теория за електрослабите и силните взаимодействия.

Има различни подходи, които пораждат конкуриращи се версии на теориите на Grand Unified. Всички тези хипотетични версии на Великото обединение обаче имат редица Общи черти. Първо, във всички хипотези кварките и лептоните - носители на електрослабите и силните взаимодействия - са включени в една теоретична схема. Досега те се разглеждаха като напълно различни обекти. Второ, използването на абстрактни калибровъчни симетрии води до откриването на нови типове полета, които имат нови свойства, например способността да трансформират кварките в лептони.

В най-простата версия на теорията на Grand Unified са необходими 24 полета, за да се трансформират кварките в лептони, а 12 от квантите на тези полета вече са известни: фотон, две W частици, Z° частица и осем глуона. Останалите 12 кванта са нови свръхтежки междинни бозони, комбинирани често срещано име X- и Y-частици (имащи цвят и електрически заряд). Тези кванти съответстват на полета, които поддържат по-широка калибровъчна симетрия и смесват кварки с лептони. Следователно, X и Y частиците могат да трансформират кварките в лептони (и обратно).

Все още не се говори за директно експериментално откриване на X- и Y-бозони. В крайна сметка теориите на Grand Unified се занимават с енергии на частиците над 1014 GeV. Това е много висока енергия. Трудно е да се каже кога ще бъде възможно да се получат частици с толкова високи енергии при ускорение.

търговци на дребно. Тази възможност не се предвижда в обозримо бъдеще. Съвременните ускорители трудно достигат 100 GeV. И следователно основната област на тестване на теориите за Голямото обединение са неговите последствия (за космологията и за регионите с ниска енергия). Така без теориите за Великото обединение е невъзможно да се опише ранният етап от еволюцията на Вселената, когато температурата на първичната плазма достигна 10 27 K. Именно при такива условия могат да бъдат създадени и унищожени свръхтежките X и Y бозони.

В допълнение, въз основа на теориите на Grand Unified, се предвиждат два важни модела в нискоенергийни региони, които могат да бъдат тествани експериментално. Първо, кварк-лептонните преходи трябва да причиняват разпад на протони. Това означава, че е нестабилен: продължителността на живота на един протон трябва да бъде приблизително 1031 години. Второ, неизбежната последица от тези теории е съществуването на магнитен монопол - стабилна и много тежка (108 протонна маса) частица, която носи един магнитен полюс. Експерименталното откриване на протонен разпад и магнитни монополи може да предостави силен аргумент в полза на теориите за Grand Unified. Експерименталните усилия са насочени към тестване на тези прогнози. Откриването на протонен разпад ще бъде най-голямо физически експеримент XXI век! Но все още няма твърдо установени данни по този въпрос.

10.3.6. Супергравитация.

Но обединяването на три от четирите фундаментални взаимодействия все още не е единна теория във всякакъв смисълдуми. В крайна сметка гравитацията все още остава. Теоретични схеми, в рамките на които се комбинират всички известни видове взаимодействия (силни, слаби, електромагнитни и гравитационни), се наричат ​​супергравитационни модели. Теоретичните модели, които комбинират и четирите взаимодействия (супергравитация), се основават на идеята за суперсиметрия, т.е. такъв преход от глобална калибровъчна симетрия към локална, която би позволила прехода от фермиони (носители на субстрата на материята) към бозони (носители на структурата на материята, носители на взаимодействия) и обратно.

Следователно супергравитацията е теория не само за носителите на всички фундаментални взаимодействия, но и за частиците, изграждащи материята (кварки и лептони). В супергравитацията всички те са обединени в една теория за материята (вещество и поле). Един от теоретични моделиобединява 70 частици със спин 0; 56 частици със спин 1/2; 28 частици със спин 1; 8 частици със спин 3/2 (те се наричаха гравитино) и 1 частица със спин 2 (гравитон). Всички тези частици са се образували в първите мигове на нашата Вселена.

Супергравитацията е кулминацията теоретична физика, тази много обща и абстрактна теория, която увенчава дългото и интензивно и често драматично търсене на единството на физиката. На ниво суперсиметрия е необходимо да се обосноват абстрактни симетрии на калибровъчни полета. С други думи, отново възниква необходимостта да се обоснове физиката с геометрия (виж 9.2.3), по-специално, да се представят калибровъчни полета като геометрични симетрии, свързани с допълнителни измерения на пространството. Това доведе до възраждане на идеите за многоизмерността на нашия свят.

Появяват се модели на суперсиметрия, в които нашият свят се разглежда като 11-измерно (или 10-измерно, или дори 26-измерно) пространство-време. От 11 измерения само четири се появяват в нашия свят, а останалите 7 остават усукани и затворени. тези " скрити измерения„съществуват в мащаб r = 10-33 см. За да се проникне в такива мащаби, е необходима енергия, сравнима с цялата енергия на нашата Галактика! Разбира се, проектите за проникване в такива малки области от нашия свят в обозримо бъдеще са нереалистични за човечеството. (Може би са нереални по принцип.)

Несъмнено предимство и доказателство за перспективността на супергравитационната програма е, че под нейно влияние се появи нов подход за обединяване на фундаменталните взаимодействия – теорията на суперструните. В тази теория частицата се разглежда като струна - осцилаторна система с разпределени параметри. При ниски енергии струната се държи като частица, а при високи енергии параметрите, характеризиращи нейната вибрация, трябва да бъдат въведени в описанието на движението на струната. Математическата страна на теорията за суперструните се оказва по-проста, отколкото в стандартната теория: нежеланите безкрайности изчезват. Едно от важните космологични следствия от теорията за суперструните е възможността за множество вселени, всяка от които има свой собствен набор от фундаментални взаимодействия.

И така, нека обобщим някои резултати. Обединяването на фундаменталните взаимодействия по същество започва през 19 век. от синтеза на електричество и магнетизъм в теорията на Максуел за електромагнитното поле. Опитите за синтезиране на гравитацията и електромагнетизма, направени от А. Айнщайн в „единната теория на полето“, се провалиха. Но теоретичното обединяване на слаби и електромагнитни взаимодействия получи надеждно потвърждение през 1983 г. благодарение на експерименталното откриване на W- и Z-бозони. Няма солидни доказателства, потвърждаващи Великото обединение (разпад на протони, съществуване на магнитен монопол), но те се очакват. Програма за супергравитация - ярък примеркак теорията може значително да изпревари практиката, опита и експерименталните възможности. Но дори и тук можем да очакваме косвени емпирични обосновки на супергравитационните модели с данни от извънгалактична астрономия, астрофизика и космология. Така физиката е на прага на създаването на единна теория за материята, т.е. всички фундаментални взаимодействия (полета) и структура на материята. Възможно е още през първата половина на 21в. тази най-голяма задача в цялата история на науката ще бъде решена. В известен смисъл това означава край физическа наукакато знание за основните принципи на материята.

Вярно е, че има още много сериозни проблеми за решаване по този път. И така, ние трябва да сме убедени в съществуването на редица елементарни частици, които са предсказани от съвременната теория (предимно бозоните на Хигс). Освен това трябва да се създаде квантова теория на гравитацията, без която изпълнението на програмата за суперсиметрия е невъзможно. Едва със създаването на квантова теория на гравитацията очевидно ще бъде възможно да се отговори на следните въпроси: защо нашето пространство е триизмерно, а времето едноизмерно? Защо има само четири фундаментални взаимодействия и точно тези, които имаме? Защо ни е даден точно този набор от елементарни частици? Как се определя масата на елементарните частици? Защо световните константи имат точно тези, а не други стойности? Защо в природата съществува елементарен електричен заряд и от какво зависи неговата големина? Защо масата на неутриното е толкова малка? и т.н.

Много при решаването на тези проблеми ще зависи от възможностите на експериментите в областта на физиката на елементарните частици. Съвременните ускорители (колайдери), в които се сблъскват струпвания от ускоряващи се една към друга елементарни частици (електрони, протони и др.), осигуряват енергията на сблъсъка

частици около 200 GeV. Обсъждат се проекти на ускорители, които увеличават тази енергия с 2-3 порядъка. Но техническите възможности тук не са неограничени. Увеличаването на енергията изисква създаването на силни енергийни полета. И това има ограничение, защото е много силни полетаще унищожи атомите на всяко вещество; това означава, че в такова поле ускорителят ще се саморазруши! В момента се обсъждат проекти за създаване на ускорители с помощта на нанотехнологии, които позволяват бързо регенериране на материални клетки, унищожени от силно електромагнитно поле. Изпълнението на такава програма, ако изобщо е възможно, е въпрос на много далечно бъдеще. Вярно е, че остава възможно изследването на космически лъчи (потоци неутрино, гравитони и др.) с висока енергия. За да направите това, трябва да се научите как да ги регистрирате уверено. Все пак не могат да бъдат изключени и други варианти за развитие на физиката през 21 век. Науката винаги трябва да е готова за революционни обрати. И следователно, например, откриването на нови фундаментални взаимодействия, субкваркови частици и т.н. може да изисква радикална ревизия на съвременната (релативистична и квантова) физика, поставяйки на дневен ред въпроса за създаването на фундаментално „нова физика“. Областта, в която Микросветът се оказва свързан с Мегасвета, ултрамалкото със свръхголямото, елементарната частица с Вселената като цяло, физиката с астрономията носи много необичайни и неочаквани неща в познанието за физическия свят.
.

За да разберете дали си струва да продължите да пишете кратки етюди, които буквално обясняват различни физични явленияи процеси. Резултатът разсея съмненията ми. ще продължа. Но за да се доближите до доста сложни явления, ще трябва да направите отделни последователни серии от публикации. И така, за да стигнете до историята за структурата и еволюцията на Слънцето и другите видове звезди, ще трябва да започнете с описание на видовете взаимодействие между елементарните частици. Да започнем с това. Без формули.
Общо във физиката са известни четири типа взаимодействие. Всички са добре познати гравитационенИ електромагнитни. И почти непознат за широката публика силенИ слаб. Нека ги опишем последователно.
Гравитационно взаимодействие . Хората го познават от древни времена. Защото е постоянно в гравитационното поле на Земята. И от училищна физиказнаем, че силата на гравитационното взаимодействие между телата е пропорционална на произведението на техните маси и обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях. Под въздействието на гравитационната сила Луната се върти около Земята, Земята и другите планети се въртят около Слънцето, а последното заедно с други звезди се върти около центъра на нашата Галактика.
Доста бавното намаляване на силата на гравитационното взаимодействие с разстоянието (обратно пропорционално на квадрата на разстоянието) принуждава физиците да говорят за това взаимодействие като дълъг обхват. В допълнение, силите на гравитационното взаимодействие, действащи между телата, са само сили на привличане.
Електромагнитно взаимодействие . В най-простия случай на електростатично взаимодействие, както знаем от училищната физика, силата на привличане или отблъскване между електрически заредените частици е пропорционална на произведението на техните електрически заряди и обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях. Което е много подобно на закона за гравитационното взаимодействие. Единствената разлика е, че електрическите заряди с еднакви знаци се отблъскват, а тези с различни знаци се привличат. Следователно електромагнитното взаимодействие, подобно на гравитационното взаимодействие, се нарича от физиците дълъг обхват.
В същото време електромагнитното взаимодействие е по-сложно от гравитационното взаимодействие. От училищната физика знаем, че електрическото поле се създава от електрически заряди, магнитни заряди не съществуват в природата, но магнитното поле се създава електрически токове.
Всъщност електрическо поле може да бъде създадено и от променящо се във времето магнитно поле, а магнитно поле също може да бъде създадено от променящо се във времето магнитно поле електрическо поле. Последното обстоятелство го прави възможно съществуването електромагнитно полебез никакви електрически заряди или токове изобщо. И тази възможност се реализира под формата на електромагнитни вълни. Например радиовълни и светлинни кванти.
Тъй като електрическите и гравитационните сили са еднакво зависими от разстоянието, естествено е да се опитаме да сравним техните интензитети. И така, за два силови протона гравитационно привличанесе оказват 10 на 36-та степен пъти (милиард милиард милиард милиард пъти) по-слаби от силите на електростатичното отблъскване. Следователно във физиката на микросвета гравитационното взаимодействие може съвсем резонно да бъде пренебрегнато.
Силно взаимодействие . Това - къс обхватсила. В смисъл, че действат на разстояния само около един фемтометър (една трилионна от милиметъра), а на големи разстояния влиянието им практически не се усеща. Освен това на разстояния от порядъка на един фемтометър силното взаимодействие е около сто пъти по-интензивно от електромагнитното.
Ето защо еднакво електрически заредените протони в атомното ядро ​​не се отблъскват един от друг чрез електростатични сили, а се държат заедно чрез силни взаимодействия. Тъй като размерите на протона и неутрона са около един фемтометър.
Слабо взаимодействие . Наистина е много слаб. Първо, той работи на разстояния хиляда пъти по-малки от един фемтометър. И на големи разстояния практически не се усеща. Следователно, подобно на силния, той принадлежи към класа къс обхват. Второ, неговата интензивност е приблизително сто милиарда пъти по-малка от интензивността на електромагнитното взаимодействие. Слабата сила е отговорна за някои разпади на елементарни частици. Включително свободни неутрони.
Има само един вид частици, които взаимодействат с материята само чрез слабо взаимодействие. Това е неутрино. Почти сто милиарда слънчеви неутрино преминават през всеки квадратен сантиметър от нашата кожа всяка секунда. И ние изобщо не ги забелязваме. В смисъл, че по време на живота ни е малко вероятно няколко неутрино да взаимодействат с материята на тялото ни.
Няма да говорим за теории, които описват всички тези видове взаимодействия. Защото за нас е важна качествената картина на света, а не насладата на теоретиците.

Дълго време човек се е стремил да опознае и разбере физическия свят около себе си. Оказва се, че цялото безкрайно разнообразие от физически процеси, протичащи в нашия свят, може да се обясни със съществуването в природата на много малък брой фундаментални взаимодействия. Тяхното взаимодействие помежду си обяснява подреденото разположение на небесните тела във Вселената. Те са „елементите“, които движат небесните тела, генерират светлина и правят възможен самия живот (вж. Приложение ).
Така всички процеси и явления в природата, било то падане на ябълка, експлозия на свръхнова, скачане на пингвин или радиоактивен разпад на вещества, възникват в резултат на тези взаимодействия.
Структурата на веществото на тези тела е стабилна благодарение на връзките между съставните му частици.

1. ВИДОВЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

Въпреки факта, че материята съдържа голям брой елементарни частици, има само четири вида фундаментални взаимодействия между тях: гравитационно, слабо, електромагнитно и силно.
Най-изчерпателният е гравитационен взаимодействие . На нея са подвластни всички материални взаимодействия без изключение – както микрочастиците, така и макротелата. Това означава, че в него участват всички елементарни частици. Тя се проявява под формата на универсална гравитация. Земно притегляне (от латински Gravitas - тежест) контролира най-глобалните процеси във Вселената, по-специално осигурява структурата и стабилността на нашата слънчева система. Според съвременните концепции всяко от взаимодействията възниква в резултат на обмена на частици, наречени носители на това взаимодействие. Гравитационното взаимодействие се осъществява чрез обмен гравитони .
, подобно на гравитацията, има далечни разстояния по природа: съответните сили могат да се проявят на много значителни разстояния. Електромагнитното взаимодействие се описва от заряди от един вид (електрически), но тези заряди вече могат да имат два знака - положителни и отрицателни. За разлика от гравитацията, електромагнитните сили могат да бъдат както сили на привличане, така и сили на отблъскване. Физичните и химичните свойства на различни вещества, материали и самата жива тъкан се определят от това взаимодействие. Освен това захранва цялото електрическо и електронно оборудване, т.е. свързва само заредени частици помежду си. Теорията за електромагнитното взаимодействие в макрокосмоса се нарича класическа електродинамика.
Слабо взаимодействие по-малко известни навън тесен кръгфизици и астрономи, но това по никакъв начин не омаловажава значението му. Достатъчно е да се каже, че ако го нямаше, Слънцето и другите звезди биха изгаснали, тъй като в реакциите, които осигуряват светенето им, слабото взаимодействие играе много важна роля. Слабото взаимодействие е с малък обсег: неговият радиус е приблизително 1000 пъти по-малък от този на ядрените сили.
Силно взаимодействие – най-мощният от всички останали. Той определя връзки само между адрони. Ядрените сили, действащи между нуклоните в атомното ядро, са проява на този тип взаимодействие. Тя е около 100 пъти по-силна от електромагнитната енергия. За разлика от последния (а също и гравитационен), той е, първо, с малък обсег на разстояние, по-голямо от 10–15 m (от порядъка на размера на ядрото), съответните сили между протони и неутрони, рязко намаляващи, престават да ги обвърже един с друг. Второ, той може да бъде описан задоволително само с помощта на три заряда (цвята), образуващи сложни комбинации.
Таблица 1 грубо представя най-важните елементарни частици, принадлежащи към основните групи (адрони, лептони, носители на взаимодействие).

маса 1

Участие на основните елементарни частици във взаимодействията

Най-важната характеристика на фундаменталното взаимодействие е неговият обхват на действие. Радиусът на действие е максималното разстояние между частиците, извън което тяхното взаимодействие може да бъде пренебрегнато (Таблица 2). При малък радиус взаимодействието се нарича кратко действие , с големи – дълъг обхват .

таблица 2

Основни характеристики на фундаменталните взаимодействия

Силните и слабите взаимодействия са с малък обсег . Техният интензитет бързо намалява с увеличаване на разстоянието между частиците. Такива взаимодействия се случват на малко разстояние, недостъпно за възприятие от сетивата. Поради тази причина тези взаимодействия са открити по-късно от други (едва през 20 век) с помощта на комплекс експериментални съоръжения. Електромагнитните и гравитационните взаимодействия са на големи разстояния . Такива взаимодействия намаляват бавно с увеличаване на разстоянието между частиците и нямат краен обхват на действие.

2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕТО КАТО ВРЪЗКА НА СТРУКТУРИТЕ НА МАТЕРИЯТА

В атомното ядро ​​връзката между протони и неутрони определя силно взаимодействие . Осигурява изключителна здравина на сърцевината, която е в основата на стабилността на веществото при земни условия.

Слабо взаимодействие милион пъти по-малко интензивен от силен. Той действа между повечето елементарни частици, разположени на разстояние по-малко от 10–17 m една от друга. Слабо взаимодействиеУстановени са радиоактивният разпад на урана и реакциите на термоядрен синтез на Слънцето. Както знаете, именно слънчевата радиация е основният източник на живот на Земята.

Електромагнитно взаимодействие , тъй като е далекодействащ, определя структурата на материята извън обхвата на силното взаимодействие. Електромагнитната сила свързва електрони и ядра в атоми и молекули. Той комбинира атоми и молекули в различни вещества, определя химични и биологични процеси. Това взаимодействие се характеризира със сили на еластичност, триене, вискозитет и магнитни сили. По-специално, електромагнитното отблъскване на молекули, разположени на къси разстояния, предизвиква сила на реакция на земята, в резултат на което например не падаме през пода. Електромагнитното взаимодействие не оказва значително влияние върху взаимното движение на макроскопичните тела голяма маса, тъй като всяко тяло е електрически неутрално, т.е. съдържа приблизително равен брой положителни и отрицателни заряди.

Гравитационно взаимодействие право пропорционална на масата на взаимодействащите тела. Поради малката маса на елементарните частици, гравитационното взаимодействие между частиците е малко в сравнение с други видове взаимодействия, следователно в процесите на микросвета това взаимодействие е незначително. С нарастването на масата на взаимодействащите тела (т.е. с увеличаването на броя на частиците, които те съдържат), гравитационното взаимодействие между телата нараства правопропорционално на тяхната маса. В тази връзка в макрокосмоса, когато се разглежда движението на планети, звезди, галактики, както и движението на малки макроскопични тела в техните полета, гравитационното взаимодействие става решаващо. Той държи атмосферата, моретата и всичко живо и неживо на Земята, Земята, която се върти в орбита около Слънцето, Слънцето в Галактиката. Гравитационното взаимодействие играе основна роля в образуването и еволюцията на звездите. Фундаменталните взаимодействия на елементарните частици се изобразяват с помощта на специални диаграми, в които реална частица съответства на права линия, а взаимодействието й с друга частица се изобразява или с пунктирана линия, или с крива (фиг. 1).

Диаграми на взаимодействия на елементарни частици

Съвременните физически концепции за фундаменталните взаимодействия непрекъснато се усъвършенстват. През 1967г Шелдън Глашоу, Абдус СаламИ Стивън Уайнбъргсъздава теория, според която електромагнитното и слабото взаимодействие са проява на едно електрослабо взаимодействие. Ако разстоянието от елементарна частица е по-малко от радиуса на действие на слабите сили (10–17 m), тогава разликата между електромагнитните и слабите взаимодействия изчезва. По този начин броят на фундаменталните взаимодействия беше намален до три.

Теорията за "Великото обединение".
Някои физици, по-специално Г. Георги и С. Глашоу, предполагат, че по време на прехода към по-високи енергии трябва да се случи друго сливане - обединяването на електрослабото взаимодействие със силното. Съответните теоретични схеми се наричат ​​теория за „великото обединение“. И тази теория в момента се проверява експериментално. Според тази теория, която съчетава силни, слаби и електромагнитни взаимодействия, има само два вида взаимодействия: обединени и гравитационни. Възможно е и четирите взаимодействия да са само частични прояви на едно взаимодействие. Предпоставките на такива предположения се разглеждат при обсъждането на теорията за произхода на Вселената (теорията за Големия взрив). теория" Голям взрив” обяснява как комбинацията от материя и енергия ражда звезди и галактики.