Dette er den tredje fundamentale interaktion, der kun eksisterer i mikrokosmos. Det er ansvarligt for omdannelsen af nogle fermionpartikler til andre, mens farven på svagt interagerende peptoner og kvarker ikke ændres. Et typisk eksempel på svag interaktion er processen med beta-henfald, hvor en fri neutron henfalder til en proton, en elektron og en elektron antineutrino i gennemsnit på 15 minutter. Henfaldet er forårsaget af omdannelsen af en kvark med smag d til en kvark med smag u inde i neutronen. Den udsendte elektron sikrer bevarelsen af den samlede elektriske ladning, og antineutrinoen tillader, at systemets samlede mekaniske momentum bevares.
Stærk interaktion
Hovedfunktion stærk interaktion- kombinere kvarker og antikvarker til hadroner. Teorien om stærke interaktioner er i færd med at blive skabt. Det er en typisk feltteori og kaldes kvantekromodynamik. Dens udgangspunkt er postulatet om eksistensen af tre typer farveladninger (rød, blå, grøn), der udtrykker stoffets iboende evne til at forene kvarker i stærk interaktion. Hver af kvarkerne indeholder en eller anden kombination af sådanne ladninger, men deres fuldstændige gensidige kompensation forekommer ikke, og kvarken har en resulterende farve, det vil sige, den bevarer evnen til at interagere stærkt med andre kvarker. Men når tre kvarker, eller en kvark og en antikvark, kombineres for at danne en hadron, er nettokombinationen af farveladninger i den sådan, at hadronen som helhed er farveneutral. Farveladninger skaber felter med deres iboende kvanta - bosoner. Udvekslingen af virtuelle farvebosoner mellem kvarker og/eller antikvarker fungerer som det materielle grundlag for det stærke samspil. Før opdagelsen af kvarker og farveinteraktioner blev kernekraften, der forener protoner og neutroner i atomkernerne, anset for at være fundamental. Med opdagelsen af stoffets kvarkniveau begyndte den stærke vekselvirkning at blive forstået som farvevekselvirkninger mellem kvarker, der kombinerede til hadroner. Nukleare kræfter betragtes ikke længere som fundamentale; de skal på en eller anden måde udtrykkes gennem farvede kræfter. Men det er ikke let at gøre, fordi baryonerne (protoner og neutroner), der udgør kernen, generelt er farveneutrale. I analogi kan vi huske, at atomer som helhed er elektrisk neutrale, men på molekylært niveau opstår kemiske kræfter, betragtet som ekkoer af elektriske atomkræfter.
De fire typer af fundamentale interaktioner, der betragtes, ligger til grund for alle andre kendte former for stofbevægelse, inklusive dem, der opstod på højere niveauer udvikling. Nogen komplekse former bevægelser, når de nedbrydes i strukturelle komponenter, afsløres som komplekse modifikationer af disse fundamentale interaktioner.
2. Udvikling af videnskabelige synspunkter om samspillet mellem partikler før den evolutionære skabelse af teorien om "den store forening"
"Grand Unification"-teorien er en teori, der forener elektromagnetiske, stærke og svage interaktioner. Når vi nævner teorien om den "store forening", taler vi om det faktum, at alle de kræfter, der findes i naturen, er en manifestation af en universel grundlæggende kraft. Der er en række overvejelser, der giver grund til at tro, at i øjeblikket med Big Bang, som fødte vores univers, eksisterede kun denne kraft. Men over tid udvidede universet sig, hvilket betyder, at det afkølede, og den enkelte kraft delte sig i flere forskellige, som vi nu observerer. "Grand Unification"-teorien ville beskrive de elektromagnetiske, stærke, svage og gravitationskræfter som manifestationer af én universel kraft. Der er allerede sket nogle fremskridt: Forskere har formået at konstruere en teori, der kombinerer elektromagnetiske og svage interaktioner. Hovedarbejdet med teorien om den "store forening" er dog stadig forude.
Moderne partikelfysik er tvunget til at diskutere spørgsmål, der faktisk bekymrede gamle tænkere. Hvad er oprindelsen af partikler og kemiske atomer bygget af disse partikler? Og hvordan kan Kosmos, Universet, der er synligt for os, bygges af partikler, uanset hvad vi kalder dem? Og også – blev universet skabt, eller har det eksisteret fra evighed? Hvis man kan spørge dette, hvad er de tankebaner, der kan føre til overbevisende svar? Alle disse spørgsmål ligner søgen efter de sande eksistensprincipper, spørgsmål om arten af disse principper.
Uanset hvad vi siger om Space, er én ting klart, at alt i Naturlig verden på en eller anden måde består af partikler. Men hvordan forstår man denne sammensætning? Det er kendt, at partikler interagerer – de tiltrækker eller frastøder hinanden. Partikelfysik studerer en række forskellige interaktioner. [Popper K. Om kilderne til viden og uvidenhed // Vopr. naturvidenskabs- og teknologihistorie, 1992, nr. 3, s. 32.]
Elektromagnetisk interaktion tiltrak sig særlig opmærksomhed i det 18.-19. århundrede. Der blev opdaget ligheder og forskelle mellem elektromagnetiske og gravitationelle interaktioner. Ligesom tyngdekraften er elektromagnetiske kræfter omvendt proportionale med kvadratet af afstanden. Men i modsætning til tyngdekraften tiltrækker elektromagnetisk "tyngdekraft" ikke kun partikler (forskellige ladningstegn), men frastøder dem også fra hinanden (lige ladede partikler). Og ikke alle partikler er bærere af elektrisk ladning. For eksempel er fotonen og neutronen neutrale i denne henseende. I 50'erne år XIX V. elektromagnetisk teori om D. C. Maxwell (1831-1879) forenet elektrisk og magnetiske fænomener og derved klarlagt virkningen af elektromagnetiske kræfter. [Grünbaum A. Oprindelse versus skabelse i fysisk kosmologi (teologiske forvrængninger af moderne fysisk kosmologi). - Spørgsmål. Filosofi, 1995, nr. 2, s. 19.]
Studiet af radioaktivitetsfænomener førte til opdagelsen særlig slags interaktion mellem partikler, som kaldes den svage interaktion. Da denne opdagelse er relateret til studiet af beta-radioaktivitet, kunne man kalde denne interaktion beta-henfald. Men i den fysiske litteratur er det sædvanligt at tale om svag interaktion - den er svagere end elektromagnetisk interaktion, dog meget stærkere end gravitationel interaktion. Opdagelsen blev lettet af W. Paulis (1900-1958) forskning, som forudsagde, at der under beta-henfald frigives en neutral partikel, som kompenserer for den tilsyneladende overtrædelse af loven om bevarelse af energi, kaldet en neutrino. Og derudover blev opdagelsen af svage vekselvirkninger lettet af forskning fra E. Fermi (1901-1954), som sammen med andre fysikere foreslog, at elektroner og neutrinoer, før deres afgang fra den radioaktive kerne, ikke eksisterer i kerne, så at sige, i en færdiglavet form, men dannes under strålingsprocessen. [Grünbaum A. Oprindelse versus skabelse i fysisk kosmologi (teologiske forvrængninger af moderne fysisk kosmologi). - Spørgsmål. Filosofi, 1995, nr. 2, s. 21.]
Endelig viste den fjerde interaktion sig at være forbundet med intranukleære processer. Kaldet den stærke interaktion manifesterer den sig som tiltrækning af intranukleære partikler - protoner og neutroner. På grund af sin store størrelse viser det sig at være en kilde til enorm energi.
Studiet af de fire typer interaktioner fulgte vejen til at søge efter deres dybe forbindelse. På denne uklare, stort set mørke vej var det kun symmetriprincippet, der styrede forskningen og førte til identifikation af den formodede forbindelse forskellige typer interaktioner.
For at identificere sådanne forbindelser var det nødvendigt at vende sig til en søgning efter en særlig type symmetrier. Et simpelt eksempel Denne type symmetri kan repræsenteres af afhængigheden af det arbejde, der udføres, når en last løftes på løftehøjden. Energiforbruget afhænger af højdeforskellen, men afhænger ikke af arten af opstigningsvejen. Kun højdeforskellen er væsentlig, og det er slet ikke ligegyldigt fra hvilket niveau vi starter målingen. Vi kan sige, at vi her har at gøre med symmetri med hensyn til valget af oprindelse.
På lignende måde kan du beregne bevægelsesenergien for en elektrisk ladning i et elektrisk felt. Analogen af højde her vil være feltspænding eller med andre ord elektrisk potentiale. Den energi, der forbruges under ladningsbevægelsen, vil kun afhænge af potentialforskellen mellem de sidste og indledende punkter i feltrummet. Vi har her at gøre med den såkaldte gauge eller med andre ord skalasymmetri. Der henvises til målersymmetri elektrisk felt, er tæt forbundet med loven om bevarelse af elektrisk ladning.
Målesymmetri viste sig at være det vigtigste værktøj, hvilket gav anledning til muligheden for at løse mange vanskeligheder i teorien om elementære partikler og i talrige forsøg på at forene forskellige typer af interaktioner. I kvanteelektrodynamik opstår der for eksempel forskellige divergenser. Det er muligt at eliminere disse divergenser på grund af det faktum, at den såkaldte renormaliseringsprocedure, som eliminerer vanskelighederne ved teorien, er tæt forbundet med målersymmetri. Ideen ser ud til, at vanskelighederne med at konstruere en teori om ikke kun elektromagnetiske, men også andre interaktioner kan overvindes, hvis andre, skjulte symmetrier kan findes.
Målersymmetri kan antage en generaliseret karakter og kan tilskrives ethvert kraftfelt. I slutningen af 1960'erne. S. Weinberg (f. 1933) fra Harvard Universitet og A. Salam (f. 1926) fra Imperial College i London, afhængig af S. Glashows (f. 1932) arbejde, foretog en teoretisk forening af elektromagnetiske og svage vekselvirkninger. De brugte ideen om målersymmetri og konceptet med et målefelt forbundet med denne idé. [Yakushev A. S. Grundlæggende begreber i moderne naturvidenskab. – M., Fakt-M, 2001, s. 29.]
Gælder for elektromagnetisk interaktion enkleste form måle symmetri. Det viste sig, at symmetrien af den svage interaktion er mere kompleks end den for den elektromagnetiske interaktion. Denne kompleksitet skyldes kompleksiteten af selve processen, så at sige, mekanismen for svag interaktion.
I processen med svag interaktion forekommer for eksempel henfaldet af en neutron. Partikler som neutron, proton, elektron og neutrino kan deltage i denne proces. På grund af svag interaktion sker der desuden gensidig transformation af partikler.
Begrebsmæssige bestemmelser i teorien om "Grand Unification"
I moderne teoretisk fysik Tonen er sat af to nye konceptuelle skemaer: den såkaldte "Grand Unification"-teori og supersymmetri.
Disse videnskabelige tendenser fører sammen til en meget attraktiv idé, ifølge hvilken hele naturen i sidste ende er underlagt en eller anden supermagts handling, der manifesterer sig i forskellige "skikkelser". Denne kraft er kraftig nok til at skabe vores univers og forsyne det med lys, energi, stof og give det struktur. Men supermagt er mere end blot en kreativ kraft. I den er stof, rum-tid og interaktion smeltet sammen til en udelelig harmonisk helhed, der genererer en sådan enhed af universet, som ingen tidligere havde forestillet sig. Formålet med videnskaben er i bund og grund søgen efter en sådan enhed. [Ovchinnikov N.F. Struktur og symmetri // System Research, M., 1969, s. 137.]
Baseret på dette er der en vis tillid til foreningen af alle fænomener af levende og livløs natur inden for rammerne af et enkelt beskrivende skema. I dag kendes fire fundamentale vekselvirkninger eller fire kræfter i naturen, som er ansvarlige for alle kendte vekselvirkninger af elementarpartikler - stærke, svage, elektromagnetiske og gravitationelle vekselvirkninger. Stærke interaktioner binder kvarker sammen. Svage interaktioner er ansvarlige for nogle typer af nukleart henfald. Elektromagnetiske kræfter virker mellem elektriske ladninger, og gravitationskræfter virker mellem masser. Tilstedeværelsen af disse interaktioner er en tilstrækkelig og nødvendig betingelse for at opbygge verden omkring os. For eksempel, uden tyngdekraften, ville der ikke kun være galakser, stjerner og planeter, men universet kunne ikke være opstået - trods alt er selve begreberne om det ekspanderende univers og Big Bang, som rumtiden stammer fra, baseret på på tyngdekraften. Uden elektromagnetiske interaktioner ville der ikke være nogen atomer, ingen kemi eller biologi og ingen solvarme eller lys. Uden stærke nukleare interaktioner ville kerner ikke eksistere, og derfor ville atomer og molekyler, kemi og biologi ikke eksistere, og stjerner og Solen ville ikke være i stand til at generere varme og lys ved hjælp af kerneenergi.
Selv svage nukleare interaktioner spiller en rolle i dannelsen af universet. Uden dem ville kernereaktioner i Solen og stjernerne være umulige; tilsyneladende ville supernovaeksplosioner ikke forekomme, og de tunge grundstoffer, der er nødvendige for liv, kunne ikke spredes i hele universet. Livet var måske ikke opstået. Hvis vi er enige i den opfattelse, at alle disse fire er fuldstændig forskellige interaktioner, som hver især er nødvendige på sin egen måde for fremkomsten komplekse strukturer og bestemmelse af hele universets udvikling genereres af en enkelt simpel supermagt, derefter tilstedeværelsen af en enkelt grundlæggende lov, der virker både i levende og i livløs natur, der er ingen tvivl. Moderne forskning viser, at disse fire kræfter engang kan være blevet kombineret til én.
Dette var muligt ved de enorme energier, der var karakteristiske for æraen af det tidlige univers kort efter stort brag. Faktisk er teorien om forening af elektromagnetiske og svage interaktioner allerede blevet bekræftet eksperimentelt. "Grand Unification"-teorierne bør kombinere disse interaktioner med de stærke, og "Al That Is"-teorierne bør forene alle fire grundlæggende interaktioner som manifestationer af én interaktion. Universets termiske historie, startende fra 10-43 sek. efter Big Bang til i dag, viser det mest af helium-4, helium-3, deuteroner (kerner af deuterium - en tung isotop af brint) og lithium-7 blev dannet i universet cirka 1 minut efter Big Bang.
Tyngre grundstoffer dukkede op inde i stjerner titusindvis af millioner eller milliarder af år senere, og fremkomsten af liv svarer til den sidste fase af det udviklende univers. Baseret på den teoretiske analyse og resultaterne af computermodellering af dissipative systemer, der opererer langt fra ligevægt, under påvirkning af en kode-frekvens lavenergistrøm, konkluderede vi, at der er to parallelle processer i universet - entropi og information. Desuden er den entropiske proces med at omdanne stof til stråling ikke dominerende. [Soldatov V.K. Teori om den "store forening". – M., Efterskrift, 2000, s. 38.]
Under disse betingelser opstår en ny type evolutionær selvorganisering af materien, der forbinder systemets sammenhængende spatiotemporale adfærd med dynamiske processer i selve systemet. Derefter, på universets skala, vil denne lov blive formuleret som følger: "Hvis Big Bang førte til dannelsen af 4 fundamentale interaktioner, så er den videre udvikling af rum-tidsorganisationen af Universet forbundet med deres forening. ” Derfor skal loven om stigende entropi efter vores opfattelse ikke anvendes på individuelle dele af universet, men på hele dets udviklingsproces. På tidspunktet for dets dannelse viste universet sig at være kvantificeret i rum-tid hierarki-niveauer, som hver svarer til en af de grundlæggende interaktioner. Den resulterende fluktuation, opfattet som et ekspanderende billede af universet, begynder på et bestemt tidspunkt at genoprette dets ligevægt. Processen med yderligere evolution sker i et spejlbillede.
Med andre ord sker der to processer samtidigt i det observerbare univers. En proces - anti-entropi - er forbundet med genoprettelse af forstyrret ligevægt gennem selvorganisering af stof og stråling i makrokvantetilstande (som fysisk eksempel vi kan nævne sådanne velkendte tilstande af stof som superfluiditet, superledning og kvante Hall-effekten). Denne proces bestemmer tilsyneladende den konsekvente udvikling af processer termonuklear fusion i stjerner, dannelsen af planetsystemer, mineraler, flora, encellede og flercellede organismer. Dette følger automatisk den selvorganiserende orientering af det tredje princip om den progressive udvikling af levende organismer.
Den anden proces er rent entropisk af natur og beskriver processerne for cyklisk evolutionær overgang af selvorganiserende stof (henfald - selvorganisering). Det er muligt, at disse principper kan tjene som grundlag for at skabe et matematisk apparat, der giver os mulighed for at kombinere alle fire interaktioner til én superkraft. Som allerede nævnt er dette det problem, som de fleste teoretiske fysikere i øjeblikket er optaget af. Yderligere argumentation af dette princip går langt ud over omfanget af denne artikel og er forbundet med konstruktionen af teorien om evolutionær selvorganisering af universet. Lad os derfor drage hovedkonklusionen og se, hvor anvendelig den er for biologiske systemer, principperne for deres kontrol og vigtigst af alt til nye teknologier til behandling og forebyggelse af patologiske tilstande i kroppen. Først og fremmest vil vi være interesserede i principperne og mekanismerne for at opretholde selvorganisering og udvikling af levende organismer, såvel som årsagerne til deres krænkelser, manifesteret i form af alle slags patologier.
Den første af dem er princippet om kode-frekvenskontrol, hvis hovedformål er at opretholde, synkronisere og kontrollere energistrømme inden for ethvert åbent selvorganiserende dissipativt system. Implementeringen af dette princip for levende organismer kræver tilstedeværelsen på hvert strukturelt hierarkisk niveau af et biologisk objekt (molekylært, subcellulært, cellulært, væv, organoidt, organisme, population, biokenotisk, biotisk, landskab, biosfære, kosmisk) tilstedeværelse af en biorytmisk proces forbundet med forbruget og forbruget af den transformerede energi, som bestemmer aktiviteten og rækkefølgen af processer i systemet. Denne mekanisme indtager en central plads i de tidlige stadier af livets fremkomst i processerne til dannelse af DNA-struktur og princippet om reduplicering af diskrete koder for arvelig information såvel som i processer som celledeling og efterfølgende differentiering. Som du ved, sker celledelingsprocessen altid i en streng rækkefølge: profase, metafase, telofase og derefter anafase. Du kan overtræde betingelserne for division, forstyrre det, endda fjerne kernen, men sekvensen vil altid blive bevaret. Uden tvivl er vores krop udstyret med de mest perfekte synkronisatorer: et nervesystem, der er følsomt over for de mindste ændringer i ydre og indre miljø, langsommere humoral system. Samtidig lever tøflen ciliat, i fuldstændig fravær af nerve- og humorsystemer, lever, fodrer, udskiller, reproducerer, og alle disse komplekse processer forekommer ikke kaotisk, men i streng rækkefølge: enhver reaktion forudbestemmer den næste, og det frigiver igen produkter, som er nødvendige for at starte den næste reaktion. [Soldatov V.K. Teori om den "store forening". – M., Efterskrift, 2000, s. 59.]
Det skal bemærkes, at Einsteins teori markerede så vigtige fremskridt i forståelsen af naturen, at en revision af synspunkter om andre naturkræfter hurtigt blev uundgåelig. På dette tidspunkt var den eneste "anden" kraft, hvis eksistens var fast etableret, elektromagnetisk interaktion. Udadtil lignede den dog slet ikke tyngdekraften. Desuden, flere årtier før skabelsen af Einsteins tyngdekraftsteori, blev elektromagnetisme med succes beskrevet af Maxwells teori, og der var ingen grund til at tvivle på gyldigheden af denne teori.
Gennem hele sit liv drømte Einstein om at skabe samlet teori et felt, hvor alle naturens kræfter ville smelte sammen på grundlag af ren geometri. Einstein viede det meste af sit liv til at søge efter et sådant skema efter at have skabt den generelle relativitetsteori. Men ironisk nok var den person, der kom tættest på at realisere Einsteins drøm, den lidet kendte polske fysiker Theodor Kaluza, som tilbage i 1921 lagde grunden til en ny og uventet tilgang til fysikkens samling, som stadig forbløffer fantasien med sin frækhed. .
Med opdagelsen af svage og stærke interaktioner i 30'erne af det 20. århundrede mistede ideerne om at forene tyngdekraften og elektromagnetisme stort set deres tiltrækningskraft. En konsekvent forenet feltteori burde ikke have inkluderet to, men fire kræfter. Dette kunne naturligvis ikke lade sig gøre uden at opnå en dyb forståelse af svage og stærke interaktioner. I slutningen af 1970'erne, takket være den friske vind bragt af Grand Unified Theories (GUT) og supergravitation, blev den gamle Kaluza-Klein-teori husket. De "blæste støvet af, klædte det op i mode" og inkluderede alle de interaktioner, der er kendt til dato.
I GUT lykkedes det teoretikere at samle tre meget forskellige typer af interaktioner inden for ét koncept; dette skyldes, at alle tre interaktioner kan beskrives ved hjælp af målefelter. Hovedegenskaben ved målefelter er eksistensen af abstrakte symmetrier, takket være hvilken denne tilgang opnår elegance og åbner op for brede muligheder. Tilstedeværelsen af kraftfeltsymmetrier indikerer ganske klart manifestationen af en skjult geometri. I Kaluza-Klein-teorien, der er bragt tilbage til livet, bliver symmetrierne af målefelter konkrete - disse er geometriske symmetrier forbundet med yderligere dimensioner af rummet.
Som i original version, introduceres interaktioner i teorier ved at tilføje yderligere rumlige dimensioner til rum-tid. Men da vi nu skal rumme interaktioner af tre typer, er vi nødt til at introducere flere yderligere dimensioner. Blot at tælle antallet af symmetrioperationer inkluderet i GUT fører til en teori med syv yderligere rumlige dimensioner (så deres samlet antal når ti); hvis vi tager tid i betragtning, så har rum-tid elleve dimensioner i alt. [Soldatov V.K. Teori om den "store forening". – M., Efterskrift, 2000, s. 69.]
Grundlæggende bestemmelser i teorien om "Grand Unification" fra kvantefysikkens synspunkt
I kvantefysikken er hver længdeskala forbundet med en energiskala (eller tilsvarende masser). Jo mindre længdeskalaen, der studeres, jo højere energi kræves dertil. At studere kvarkstrukturen af en proton kræver energier svarende til mindst ti gange protonens masse. Betydeligt højere på energiskalaen er den masse, der svarer til Den Store Forening. Hvis det nogensinde lykkes os at opnå en så enorm masse (energi), som vi er meget langt fra i dag, så vil det være muligt at studere X-partiklernes verden, hvor forskellene mellem kvarker og leptoner udviskes.
Hvilken slags energi er nødvendig for at trænge "inde i" 7-sfæren og udforske yderligere dimensioner af rummet? Ifølge Kaluza-Klein-teorien er det nødvendigt at overskride Grand Unification-skalaen og opnå energier svarende til 10 19 protonmasser. Kun med sådanne ufatteligt enorme energier ville det være muligt direkte at observere manifestationerne af yderligere dimensioner af rummet.
Denne enorme værdi - 10 19 masser af en proton - kaldes Planck-massen, da den først blev introduceret af Max Planck, skaberen af kvanteteorien. Ved en energi svarende til Planck-massen ville alle fire vekselvirkninger i naturen smelte sammen til en enkelt superkraft, og ti rumlige dimensioner ville være fuldstændig lige store. Hvis det var muligt at koncentrere en tilstrækkelig mængde energi, "for at sikre opnåelsen af Planck-massen, så ville rummets fulde dimension fremstå i al sin pragt [Yakushev A. S. Grundlæggende begreber i moderne naturvidenskab. - M., Fakt-M , 2001, s. 122.]
Ved at give frie tøjler til fantasien kan man forestille sig, at menneskeheden en dag vil få superkræfter. Hvis dette skete, så ville vi få magt over naturen, eftersom supermagt i sidste ende giver anledning til alle interaktioner og alle fysiske objekter; i denne forstand er det det grundlæggende princip for alle ting. Efter at have mestret supermagten kunne vi ændre strukturen af rum og tid, bøje tomrummet på vores egen måde og bringe stoffet i orden. Ved at kontrollere superkræfter kunne vi skabe eller transformere partikler efter behag og skabe eksotiske nye former for stof. Vi kunne endda manipulere selve rummets dimension og skabe bizarre kunstige verdener med ufattelige egenskaber. Vi ville virkelig blive universets mestre!
Men hvordan opnår man dette? Først og fremmest er det nødvendigt at opnå en tilstrækkelig mængde energi. For at få en idé om, hvad vi taler om, skal du huske, at den 3 km lange lineære accelerator ved Stanford accelererer elektroner til energier svarende til 20 protonmasser. For at opnå Planck-energien skal acceleratoren forlænges med 10 18 gange, hvilket gør den på størrelse med Mælkevejen (ca. hundrede tusinde lysår). Et sådant projekt er ikke et projekt, der kan gennemføres inden for en overskuelig fremtid. [Wheeler J. A. Quantum and the Universe // Astrophysics, quanta and theory of relativity, M., 1982, s. 276.]
Grand Unified Theory skelner klart mellem tre tærskler eller skalaer for energi. Først og fremmest er dette Weinberg-Salam-tærsklen, svarende til næsten 90 protonmasser, over hvilken elektromagnetiske og svage interaktioner smelter sammen til en enkelt elektrosvag interaktion. Den anden skala, svarende til 10 14 protonmasser, er karakteristisk for den store forening og den nye fysik baseret på den. Endelig svarer den ultimative skala - Planck-massen - svarende til 10 19 protonmasser, til den fuldstændige forening af alle interaktioner, som et resultat af hvilket verden er forbløffende forenklet. Et af de største uløste problemer er at forklare eksistensen af disse tre skalaer, samt årsagen til en så stærk forskel mellem den første og anden af dem. [Soldatov V.K. Teori om den "store forening". – M., Efterskrift, 2000, s. 76.]
Moderne teknologi er kun i stand til at opnå den første skala. Protonhenfald kunne give os et indirekte middel til at studere fysiske verden på den store forenede skala, selvom der på nuværende tidspunkt ikke synes at være noget håb om direkte at nå denne grænse, endsige på Planck-massens skala.
Betyder det, at vi aldrig vil være i stand til at observere manifestationer af den oprindelige supermagt og de usynlige syv dimensioner af rummet. Ved at bruge tekniske midler som en superledende superkollider bevæger vi os hurtigt op på skalaen af energier, der kan opnås under jordiske forhold. Teknologien skabt af mennesker udtømmer dog ikke alle muligheder – naturen selv findes også. Universet er et gigantisk naturligt laboratorium, hvor det største eksperiment inden for elementarpartikelfysik blev "udført" for 18 milliarder år siden. Vi kalder dette eksperiment Big Bang. Som det vil blive diskuteret senere, var denne indledende begivenhed nok til at frigive - om end i et meget kort øjeblik - supermagt. Dette var dog tilsyneladende nok til, at supermagtens spøgelsesagtige eksistens kunne sætte sit præg for evigt. [Yakushev A. S. Grundlæggende begreber i moderne naturvidenskab. – M., Fakt-M, 2001, s. 165.]
Tiden er som en flod, der bærer forbigående begivenheder, og dens strøm er stærk; Så snart noget dukker op for dine øjne, er det allerede blevet båret væk, og du kan se noget andet, som også snart vil blive båret væk.
Marcus Aurelius
Hver af os stræber efter at skabe komplet billede verden, inklusive billedet af universet, fra den mindste subatomære partikler i højeste grad. Men fysikkens love er nogle gange så mærkelige og kontraintuitive, at denne opgave kan blive overvældende for dem, der ikke er blevet professionelle teoretiske fysikere.
En læser spørger:
Selvom dette ikke er astronomi, kan du måske give mig et tip. Den stærke kraft bæres af gluoner og binder kvarker og gluoner sammen. Elektromagnetisk bæres af fotoner og binder elektrisk ladede partikler. Tyngdekraften bæres angiveligt af gravitoner og binder alle partikler til masse. De svage bæres af W- og Z-partikler, og... er forbundet med henfald? Hvorfor beskrives den svage kraft på denne måde? Er den svage kraft ansvarlig for tiltrækning og/eller frastødning af partikler? Og hvilke? Og hvis ikke, hvorfor er det så en af de fundamentale interaktioner, hvis det ikke er forbundet med nogen kræfter? Tak skal du have.
Lad os få det grundlæggende af vejen. Der er fire grundlæggende kræfter i universet - tyngdekraften, elektromagnetismen, den stærke kernekraft og den svage kernekraft.
Og alt dette er interaktion, kraft. For partikler, hvis tilstand kan måles, ændrer anvendelsen af en kraft sit moment - i det almindelige liv taler vi i sådanne tilfælde om acceleration. Og for tre af disse kræfter er dette sandt.
I tilfælde af tyngdekraft, total beløb energi (for det meste masse, men dette inkluderer al energi) bøjer rumtiden, og bevægelsen af alle andre partikler ændres i nærvær af alt, der har energi. Sådan fungerer det i den klassiske (ikke-kvante) teori om tyngdekraft. Måske er der flere generel teori, kvantetyngdekraften, hvor gravitoner udveksles, hvilket fører til det, vi observerer som gravitationsinteraktion.
Inden du fortsætter, skal du forstå:
- Partikler har en egenskab eller noget iboende til dem, der gør det muligt for dem at føle (eller ikke føle) en bestemt type kraft
- Andre partikler, der bærer interaktioner, interagerer med de første
- Som et resultat af interaktioner ændrer partikler deres moment eller accelererer
I elektromagnetisme er hovedegenskaben elektrisk ladning. I modsætning til tyngdekraften kan den være positiv eller negativ. En foton, en partikel, der bærer kraften forbundet med en ladning, resulterer i identiske afgifter frastøder, og de, der adskiller sig, tiltrækkes.
Det er værd at bemærke, at bevægelige ladninger eller elektriske strømme oplever en anden manifestation af elektromagnetisme - magnetisme. Det samme sker med tyngdekraften, og det kaldes gravitomagnetisme (eller gravitoelektromagnetisme). Vi vil ikke gå dybere - pointen er, at der ikke kun er en ladning og en kraftbærer, men også strømme.
Der er også en stærk nuklear interaktion, som har tre typer ladninger. Selvom alle partikler har energi og alle er underlagt tyngdekraften, og selvom kvarker, så indeholder halvdelen af leptonerne og et par bosoner elektriske ladninger – kun kvarker og gluoner har en farvet ladning og kan opleve den stærke kernekraft.
Der er mange masser overalt, så tyngdekraften er let at observere. Og da den stærke kraft og elektromagnetismen er ret stærk, er de også nemme at observere.
Men hvad med sidstnævnte? Svagt samspil?
Vi taler normalt om det i forbindelse med radioaktivt henfald. En tung kvark eller lepton henfalder til lettere og mere stabile. Ja, svag interaktion har noget at gøre med dette. Men i i dette eksempel det er på en eller anden måde anderledes end andre kræfter.
Det viser sig, at svag interaktion også er en kraft, det taler man bare ikke ofte om. Hun er svag! 10.000.000 gange svagere end elektromagnetisme over en afstand af en protons diameter.
En ladet partikel har altid en ladning, uanset om den bevæger sig eller ej. Men elektricitet, skabt af den, afhænger af dens bevægelse i forhold til andre partikler. Strøm bestemmer magnetisme, hvilket er lige så vigtigt som den elektriske del af elektromagnetisme. Sammensatte partikler som protonen og neutronen har betydelige magnetiske momenter, ligesom elektronen.
Quarks og leptoner findes i seks smagsvarianter. Quarks - top, bund, mærkelig, charmeret, charmerende, sand (ifølge deres bogstavbetegnelser på latin u, d, s, c, t, b - op, ned, mærkelig, charme, top, bund). Leptoner - elektron, elektron-neutrino, muon, muon-neutrino, tau, tau-neutrino. Hver af dem har en elektrisk ladning, men også en duft. Hvis vi kombinerer elektromagnetisme og den svage kraft for at få den elektrosvage kraft, så vil hver af partiklerne have en eller anden svag ladning eller elektrosvag strøm og en svag kraftkonstant. Alt dette er beskrevet i standardmodellen, men det var ret svært at teste det, fordi elektromagnetismen er så stærk.
I et nyt eksperiment, hvis resultater for nylig blev offentliggjort, blev bidraget fra den svage interaktion målt for første gang. Forsøget gjorde det muligt at bestemme den svage interaktion mellem op- og nedkvarker
Og de svage ladninger af protonen og neutronen. Standardmodellens forudsigelser for svage ladninger var:
Q W (p) = 0,0710 ± 0,0007,
Q W (n) = -0,9890 ± 0,0007.
Og baseret på spredningsresultaterne frembragte eksperimentet følgende værdier:
Q W (p) = 0,063 ± 0,012,
Q W (n) = -0,975 ± 0,010.
Hvilket falder meget godt sammen med teorien, når man tager fejlen i betragtning. Eksperimentatorerne siger, at ved at behandle flere data, vil de yderligere reducere fejlen. Og hvis der er nogle overraskelser eller uoverensstemmelser med Standard model, det bliver fedt! Men intet tyder på dette:
Derfor har partikler en svag ladning, men vi taler ikke om det, da det er urealistisk svært at måle. Men vi gjorde det alligevel, og det ser ud til, at vi har genbekræftet standardmodellen.
Læseren er bekendt med kræfter af forskellig karakter, der viser sig i interaktioner mellem kroppe. Men fundamentalt forskellige typer interaktion meget lille. Bortset fra tyngdekraften, som kun spiller en væsentlig rolle i tilstedeværelsen af enorme masser, så kendes kun tre typer interaktioner: stærk, elektromagnetiske og svag.
Elektromagnetisk interaktion alle ved. Takket være dem udsender en ikke-ensartet bevægelig elektrisk ladning (f.eks. en elektron i et atom) elektromagnetiske bølger(For eksempel, synligt lys). Alle interaktioner er forbundet med denne klasse af interaktioner. kemiske processer, såvel som alle molekylære fænomener - overfladespænding, kapillaritet, adsorption, fluiditet. Elektromagnetisk interaktion, hvis teori er glimrende bekræftet af erfaring, er dybt forbundet med elektrisk ladning elementære partikler.
Stærk interaktion blev først kendt efter offentliggørelsen indre struktur atomkerne. I 1932 blev det opdaget, at det består af nukleoner, neutroner og protoner. Og præcis stærk interaktion forbinde nukleoner i kernen - er ansvarlige for kernekræfter, som i modsætning til elektromagnetiske er karakteriseret ved et meget kort aktionsområde (ca. 10-13, dvs. en ti-trilliontedel af en centimeter) og høj intensitet. Udover, stærk interaktion vises under kollisioner partikler høje energier, der involverer pioner og såkaldt "mærkeligt" partikler.
Det er praktisk at estimere intensiteten af interaktioner ved hjælp af den såkaldte middelfri vej partikler i noget stof, dvs. Ved gennemsnit måden at partikel kan passere gennem dette stof, indtil der opstår en destruktiv eller stærkt afbøjelig kollision. Det er klart, at jo længere den gennemsnitlige frie vej er, jo mindre intens er interaktionen.
Hvis vi overvejer partikler Meget høj energi, derefter kollisioner forårsaget af stærke interaktioner, er præget af den frie vej partikler, svarende i størrelsesorden til snesevis af centimeter i kobber eller jern.
Situationen er anderledes med svage interaktioner. Som vi allerede har sagt, er den gennemsnitlige frie vej for en neutrino i tæt stof målt i astronomiske enheder. Dette indikerer en overraskende lav intensitet af svage interaktioner.
Enhver proces interaktion elementære partikler præget af noget tid, der afgør det gennemsnitlig varighed. Processer forårsaget af svag interaktioner, kaldes ofte "langsomme", fordi tiden for dem er relativt lang.
Læseren kan dog blive overrasket over, at et fænomen, der opstår på f.eks. 10-6 (en milliontedel af et) sekund, klassificeres som langsomt. Denne levetid er typisk for for eksempel henfald af en myon forårsaget af svag interaktioner. Men alt læres ved sammenligning. I verden elementære partikler sådan en periode er faktisk ret lang. Naturlig enhed længde i mikrokosmos er 10-13 centimeter - rækkevidde af handling atomstyrker. Og siden grundskolen partikler høj energi har en hastighed tæt på lysets hastighed (ca. 1010 centimeter pr. sekund), så vil den "normale" tidsskala for dem være 10-23 sekunder.
Det betyder, at tiden på 10-6 sekunder for mikroverdenens "borgere" er meget længere end for dig og mig hele perioden med liv på Jorden
elektrosvag teori
Lektion-forelæsning, der forklarer nyt stof, 2 timer, 11. klasse
Du ved allerede, at alle kræfter i naturen kommer ned til beskrivelsen af gravitationelle, elektromagnetiske og stærke interaktionerth eller deres kombinationer. Gravitationsinteraktion er iboende i alle materielle objekter. Ikke kun interaktionen mellem ladede legemer og partikler, men også elastiske, viskøse, molekylære, kemiske og andre interaktioner reduceres til elektromagnetiske. Den stærke interaktion holder nukleoner i atomkerner og bestemmer de forskellige transformationer af partikler ind i hinanden.I dag vil vi overveje en anden, 4. type grundlæggende interaktioner, som ikke kan reduceres til nogen af ovenstående - svag interaktion. Lad os finde ud af det forbløffende faktum at den svage vekselvirkning på korte afstande ikke kan skelnes fra den elektromagnetiske.
Svag interaktion. Det er ikke tilfældigt, at denne interaktion kaldes svag. For det første er dens manifestationer sjældne i vores Hverdagen, mens vi længe har været vant til forskellige manifestationer af gravitationelle og elektromagnetiske vekselvirkninger (for eksempel fald af alle legemer til Jorden, friktion, lyn osv.), til resultaterne af virkningen af kernekræfter, der sikrer stabiliteten af sagen omkring os. For det andet er denne interaktion faktisk svag, fordi dens intensitet ved lave energier, der ikke overstiger 1 GeV - protonens resterende energi - er milliarder af gange mindre end intensiteten af de stærke og elektromagnetiske vekselvirkninger.
Derudover viser erfaringen, at stærke og elektromagnetiske vekselvirkninger kan sikre både forskellige transformationer af partikler og integriteten af en eller anden materiel genstand (f.eks. sikrer stærk vekselvirkning kernens integritet, elektromagnetisk vekselvirkning sikrer integriteten af krystalgitteret). Den svage interaktionskraft er ikke nok til at holde partikler i nærheden af hinanden (dvs. at danne bundne tilstande). Det kan kun manifestere sig under opløsningen og gensidige transformationer af partikler.
På trods af alle "svagheder" ved svag interaktion, er det meget vigtigt. Det er denne interaktion på mikroniveau, der er ansvarlig for frigivelsen af energi i stjerner, inklusive Solen. Vi kan sige, at vi er med bogstaveligt talt Vi kan ikke leve uden denne interaktion! Derudover sker henfaldet af radioaktive kerner som bekendt også på grund af svag interaktion.
Så hvad er hovedegenskaberne ved den svage interaktion?
– Svag interaktion ved lave energier meget svagere end de stærke og elektromagnetiske interaktioner;
– svag interaktion er kortrækkende: dens aktionsradius er omkring 10-18 m;
- svag interaktion er universel: næsten alle partikler deltager i den, undtagen fotoner. Derudover er der partikler, der deltager kun i svage interaktioner, for eksempel neutrinoer og antineutrinoer;
– med svag interaktion er nogle tilsyneladende universelle bevaringslove ikke opfyldt (dette spørgsmål er diskuteret i materialet for selvstudie, se nedenunder).
Som det er kendt, udføres hver af interaktionerne gennem specielle elementære partikler - bærere af en eller anden interaktion. For eksempel er fotoner bærere af elektromagnetisk interaktion, gluoner er bærere af stærk interaktion. Forskere forsøger i øjeblikket at opdage bærere gravitationsinteraktion– gravitationer.
Bærerne af det svage samspil er mellemvektorbosoner. Der er 3 typer af dem kendt: W – , W + , Z 0 . Disse partikler har meget store masser: mW 85m p, m Z 96m p, Hvor m p– protonmasse.
Lad os mere detaljeret beskrive mellembosonernes rolle i svage interaktionsprocesser. For eksempel under -henfald af en kvark d udsender en neutron W- boson og bliver til en kvark u, så neutronen bliver til en proton: du + W- , - og så W– - boson henfalder til en elektron og en antineutrino: [Det skal dog understreges, at pga. stor masse W-boson effektivt -henfald sker på en sådan måde, at hele den indre "struktur" af svage interaktioner ikke fremkommer og kun afspejles i en lille interaktionskonstant. Men hvis vi studerer svage interaktionsprocesser ved energier, der kan sammenlignes med masse W(dvs. ca. 100 GeV), så her bidraget W-boson er tydeligt synlig. – Ed.]
2. Samlet elektrosvag interaktion. Yderligere teoretisk forskning førte til, at billedet af fundamentale interaktioner begyndte at blive forenklet. Det viste sig, at elektromagnetiske og svage interaktioner er manifestationer af den samme interaktion, som kaldes elektrosvag interaktion. Denne idé blev først udtrykt (uafhængigt) i 1967. S. Weinberg Og A. Salam fremsætter følgende hypotese: karakteren af svage og elektromagnetiske interaktioner er den samme, fordi ved korte afstande er svage interaktioner sammenlignelige i styrke med elektromagnetiske, og forskellen mellem mellemvektorbosoner og fotoner slettes. Med andre ord, ved energier, der overstiger flere hundrede gigaelektronvolt, bliver elektromagnetiske og svage interaktioner ude af skel i intensitet; de ser ud til at smelte sammen til én elektrosvag interaktion.
Bemærk, at Weinberg og Salam stolede på den tidligere antagelse, at bærerne af den svage interaktion er mellemvektorbosoner. Disse partikler blev opdaget eksperimentelt meget senere (i 1983).
3. Begrundelse af Weinberg-Salam-hypotesen. Weinberg og Salam kom til konklusionen om eksistensen af en enkelt elektrosvag kraft baseret på nye grundlæggende fysiske ideer:
1) lokal gauge invarians;
2) spontant brud af symmetrien.
Det følger af hypotesen, at mellemvektorbosoner på små afstande ikke adskiller sig i deres egenskaber fra fotoner, hvilket betyder, at mellemvektorbosoner og fotoner i virkeligheden er to manifestationer af den samme partikel - bæreren af den elektrosvage vekselvirkning (ellers interaktionskraft kan ikke være den samme). Dette er kun muligt, når det er gjort princippet om lokal gauge-invarians (symmetri),(se diagram).
Det viste sig, at når skalaen ændres, dvs. efterhånden som afstanden aftager, bevæger bærerne af den elektrosvage interaktion sig fra en af deres manifestationer - fotoner - til deres anden manifestation - mellemvektorbosoner - men deres udveksling udføres lige så nemt.
Men her opstod et nyt spørgsmål: hvordan kan mellemvektorbosoner og fotoner være manifestationer af de samme partikler, hvis fotoner har nul masse, og mellemvektorbosoner har meget store masser? Da disse er de samme partikler, skal deres masser matche. Det så ud til, at der var opstået en håbløs situation.
Det viste sig, at mellemvektorbosoner er i stand til at erhverve deres masse som et resultat af en bestemt mekanisme kaldet spontant brud af symmetrien. Denne mekanisme er meget kompleks, men lad os prøve at se på dens essens ved hjælp af et par enkle eksempler.
De enkelte atomers bevægelseslove opfylder princippet om rumlig symmetri, dvs. ændres ikke, når atomet bevæger sig forskellige retninger. Men når en krystal dannes, brydes denne symmetri af sig selv, og krystallens egenskaber i forskellige retninger vil ikke længere være de samme. Krystallen har således, sammenlignet med frie atomer, mange specifikke egenskaber for eksempel evnen til at blive magnetiseret.
Kuglen placeret i midten af den hævede bund af flasken vil være i ligevægt. Systemet har aksial symmetri. Denne ligevægtsposition er imidlertid ustabil. Overladt til sig selv vil bolden, under påvirkning af en vilkårlig lille forstyrrelse, rulle ned til den konkave bund. Denne position af bolden er stabil, fordi det svarer til et minimum potentiel energi i jordens tyngdefelt. Initial aksial symmetri tilstand vil spontant blive forstyrret.
Tilsvarende, i de mest generelle termer, fører mekanismen til spontan krænkelse af lokal målersymmetri, som sikrer "masseløsheden" af mellemvektorbosoner og deres identitet med fotoner, til forekomsten af masse i mellemvektorbosoner og derved til forskelle i ydre manifestation af svage og elektromagnetiske interaktioner.
Ovenstående bestemmelser udgør samlet teori om elektrosvag interaktion. Det var heraf, at eksistensen fulgte tre typer mellemvektorbosoner W – , W + , Z 0 , og værdierne af deres masser blev også forudsagt.
Den eksperimentelle opdagelse af mellemvektorbosoner i 1983 bekræftede gyldigheden af den forenede teori om elektrosvag interaktion. Du inviteres også til at sætte dig ind i disse eksperimenter (spørgsmålet er præsenteret i materialet til selvstudie).
I stedet for fire fundamentale interaktioner kan vi således kun tale om tre: gravitationel, stærk og elektrosvag.
Selvstudiemateriale
1. Manglende overholdelse af bevaringslove under svag interaktion. Det blev opdaget, at med svag interaktion er nogle tilsyneladende universelle bevarelseslove ikke opfyldt, som er opfyldt med de andre tre fundamentale interaktioner (se diagram).
Lad os overveje de love, der ikke holder i svage interaktioner.
Lov om bevarelse af rumlig paritet ( P-paritet). Det siger de lov om bevarelse af rumlig paritet i enhver proces udføres, hvis processen er spejlsymmetrisk, dvs. forløber på nøjagtig samme måde både til højre og til venstre i forhold til et eller andet valgt center. Med andre ord forløber selve processen og dens spejlreflektion på nøjagtig samme måde.
I 1957 fandt Ts. Wu ud af, at paritetsbevaringsloven ikke gælder i svage interaktioner. Et bestemt stof indeholdende den β-aktive isotop af kobolt blev placeret inde i en strømspole, der skabte et magnetfelt (feltet er nødvendigt for at bestille orienteringen af spins og kernernes iboende magnetiske momenter). Det viste sig, at der blev udsendt omkring 40 % flere elektroner på den ene side (for eksempel opad) end på den anden side.
Oplev en rigtig installation (ovenfor) og dens refleksion i spejlet (nedenfor)
Når hele billedet spejles, for eksempel i forhold til et spejl, der er placeret nedenfor, vil vi se et helt andet fænomen (de fleste elektroner flyver ned, selvom feltet I cirkulær strøm er stadig rettet opad). For at fænomenet -henfald i spejlet kan forløbe på nøjagtig samme måde, skal retningen af den "overvejende" emission af elektroner (opad) ændres. Der er en overtrædelse af loven om bevarelse af rumlig paritet, som ikke ville eksistere, hvis elektroner blev udsendt med lige stor sandsynlighed både opad og nedad.
Fænomenet ikke-bevarelse af rumlig paritet i svage interaktioner kan illustreres på denne måde. Partikler født under svag interaktion (elektroner, muoner, taoner) er polariserede i længderetningen. Det betyder, at de har eget øjeblik momentum - spin j , som for en given partikel altid enten er codirectional med partiklens momentum s , eller rettet i den modsatte retning. I spejlende refleksion, disse partikler specificerede vektorerændre retning på forskellige måder. Spindet ændrer ikke retning, men det gør momentum. Men partikler med det resulterende arrangement s Og j eksisterer simpelthen ikke, så i spejlet forløber processen anderledes.
Partikel med langsgående polarisering: EN) et fald; b) refleksion
2. Opdagelse af mellemvektorbosoner. I 1983 blev eksistensen af intermediære vektorbosoner eksperimentelt bekræftet. Det er kendt, at hovedforskningsmetoden i elementarpartikelfysik er spredningsmetoden, dvs. kollisionen af forskellige partikler med hinanden, som et resultat af hvilket nye partikler bliver født. På det seneste er kollidere blevet meget brugt - acceleratorer, hvor to stråler af partikler med nul totalt momentum kolliderer (partikler fra forskellige stråler har impulser af samme størrelse, men modsat rettet). Det siger de processen betragtes i systemet med inerticentret for kolliderende partikler. Nye partikler født i kollideren registreres af forskellige detektorer.
Så lad os kollidere proton- og antiprotonstråler, hvor partikelenergien er lig med hver E. Så er den samlede kollisionsenergi for to partikler 2 E. Med forbehold for 2 E > Frk 2 i denne kollision en partikel med masse M. Lad os se på processen: 
, Hvor x er et sæt af alle mulige tilstande, f.eks.
Vi illustrerer fødslen af mellemvektorbosoner med et diagram.
Quark u fra en proton og en antikvark fra en antiproton kan smelte sammen i W+ (dette er vist i diagrammet). På samme måde kan par give ved sammenlægning Z 9 -boson, par - W– - boson. Men når først de er født, går disse partikler hurtigt i opløsning. Fx osv.
En positron eller positivt ladet myon med høj effektivitet kan registreres af detektorer, og dette vil tjene som et tegn på fødslen af en mellemvektorboson. Samtidig flyver neutrinoer væk og fratager en betydelig del af energien.
Den eksperimentelle opdagelse af vektor-mellembosoner bekræftede gyldigheden af den forenede teori om elektrosvag interaktion.
Spørgsmål til selvkontrol
1. Opstil og forklar de fredningslove, der gælder for svag interaktion.
2. Hvad er essensen af loven om bevarelse af rumlig paritet?
3. Forklar hvordan manglende opfyldelse af loven om bevarelse af rumlig paritet i svag interaktion blev bevist. Hvornår og af hvem blev dette eksperiment udført?
4. Hvordan kan du ellers illustrere fænomenet ikke-bevarelse af rumlig paritet i svag interaktion?
5. Hvordan adskiller loven om bevarelse af rumlig paritet sig fra loven om bevarelse af kombineret paritet? Hvorfor kan vi ikke tale om dets gennemførlighed for svag interaktion?
6. Hvorfor blev særhed og charme introduceret? Hvilke værdier kan de tage? Hvad kan man sige om bevarelsen af disse mængder under svag interaktion?
7. Hvordan adskiller et isotopisk spin sig fra et isotopisk multiplet? Giv et eksempel på en isotopisk multiplet. Er loven om bevarelse af isospin altid overtrådt i svage interaktioner?
8. Hvorfor tror du, at det før konstruktionen af kollidere ikke var muligt eksperimentelt at bevise eksistensen af intermediære vektorbosoner?
9. Forklar processen med at skabe mellemvektorbosoner i kollideren.
10. Hvordan detekteres intermediære vektorbosoner i kollideren?
Litteratur
Myakishev G.Ya. Elementære partikler. – M.: Nauka, 1979.
Retningslinjer for kurset "Atomkernens og elementarpartiklernes fysik": Komp. Vasilevsky A.S. Del 1, 2. – Kirov: GPI, 1990.
Mukhin K.N. Underholdende kernefysik. – M.: Energoatomizdat, 1985.
Naumov A.I. Atomkernens og elementarpartiklernes fysik. – M.: Uddannelse, 1984.
Aborre L.B. Elementarpartiklers fysik. – M.: Nauka, 1988.
Orir J. Populær fysik. – M.: Mir, 1964.
Elementarpartiklers fysik. Astrofysik: Encyclopedia "Modern Natural Science". T. 4. – M.: Publishing House Magistr-Press, 2000.
Uddannet fra Kirov State Pedagogical University i 1996, fysiklærer i den højeste kvalifikationskategori, undervisningserfaring 9 år, metodolog, Ph.D. Gift, har to børn.
5. års studerende ved fakultetet for fysik i Vyat GSU.
Denne interaktion er den svageste af de fundamentale interaktioner, der eksperimentelt er observeret i henfald af elementarpartikler, hvor følgende er fundamentalt signifikante: kvanteeffekter. Lad os huske på, at kvantemanifestationer af gravitationsinteraktion aldrig er blevet observeret. Svage interaktioner fremhæves vha næste regel: hvis en elementær partikel kaldet en neutrino (eller antineutrino) er involveret i interaktionsprocessen, så er denne interaktion svag.
Et typisk eksempel på den svage interaktion er beta-henfaldet af en neutron, hvor n- neutron, s- proton, e– – elektron, e+ – elektron antineutrino. Man skal dog huske på, at ovenstående regel slet ikke betyder, at enhver handling med svag interaktion skal ledsages af en neutrino eller antineutrino. Det vides at forekomme stort antal neutrinolløse henfald. Som et eksempel kan vi bemærke henfaldsprocessen af lambda hyperon D til en proton s+ og negativt ladet pion s– . Ved moderne ideer Neutronen og protonen er ikke ægte elementarpartikler, men er sammensat af elementarpartikler kaldet kvarker.
Intensiteten af den svage interaktion er karakteriseret ved Fermi-koblingskonstanten G F. Konstant G F dimensionelle. For at danne en dimensionsløs størrelse er det nødvendigt at bruge en vis referencemasse, for eksempel massen af en proton m p. Så bliver den dimensionsløse koblingskonstant. Det kan ses, at den svage interaktion er meget mere intens end den gravitationelle interaktion.
Den svage interaktion er i modsætning til gravitationsinteraktionen kortrækkende. Det betyder, at den svage kraft mellem partikler kun kommer i spil, hvis partiklerne er tæt nok på hinanden. Hvis afstanden mellem partikler overstiger en vis værdi kaldet den karakteristiske interaktionsradius, viser den svage interaktion sig ikke. Det er eksperimentelt blevet fastslået, at den karakteristiske radius for svag interaktion er omkring 10-15 cm, dvs. svag interaktion er koncentreret i afstande mindre størrelser atomkerne.
Hvorfor kan vi tale om svag interaktion som en selvstændig type grundlæggende interaktion? Svaret er enkelt. Det er blevet fastslået, at der er transformationsprocesser af elementarpartikler, der ikke er reduceret til gravitationelle, elektromagnetiske og stærke interaktioner. Godt eksempel, der viser, at der er tre kvalitativt forskellige interaktioner i nukleare fænomener, forbundet med radioaktivitet. Eksperimenter viser tilstedeværelsen af tre forskellige typer radioaktivitet: α-, β- og γ-radioaktive henfald. I dette tilfælde skyldes α-henfald stærk interaktion, γ-henfald skyldes elektromagnetisk interaktion. Det resterende β-henfald kan ikke forklares med de elektromagnetiske og stærke vekselvirkninger, og vi er tvunget til at acceptere, at der er en anden fundamental vekselvirkning, kaldet den svage. I almindelig sag behovet for at indføre svag interaktion skyldes, at der sker processer i naturen, hvor elektromagnetiske og stærke henfald forbudt af fredningslovgivningen.
Selvom den svage interaktion er væsentligt koncentreret i kernen, har den visse makroskopiske manifestationer. Som vi allerede har bemærket, er det forbundet med processen med β-radioaktivitet. Derudover spiller det svage samspil vigtig rolle i den såkaldte termonukleære reaktioner, ansvarlig for mekanismen for energifrigivelse i stjerner.
Den mest fantastiske ejendom svag interaktion er eksistensen af processer, hvor spejlasymmetri kommer til udtryk. Ved første øjekast virker det indlysende, at forskellen mellem begreberne venstre og højre er vilkårlig. Faktisk er processerne med gravitationel, elektromagnetisk og stærk interaktion invariante med hensyn til rumlig inversion, som udfører spejlreflektion. Det siges, at i sådanne processer bevares den rumlige paritet P. Det er dog eksperimentelt blevet fastslået, at svage processer kan forekomme med ikke-bevarelse af rumlig paritet og synes derfor at mærke forskellen mellem venstre og højre. I øjeblikket er der solide eksperimentelle beviser for, at paritets-ikke-konservering i svage vekselvirkninger er universel af natur; det manifesterer sig ikke kun i henfald af elementarpartikler, men også i nukleare og endda atomare fænomener. Det bør erkendes, at spejl-asymmetri er en egenskab ved naturen på det mest grundlæggende niveau.
Paritets-ikke-konservering i svage interaktioner så sådan ud usædvanlig ejendom, at næsten umiddelbart efter dets opdagelse, gjorde teoretikere forsøg på at vise, at der faktisk er fuldstændig symmetri mellem venstre og højre, men det har mere dyb mening end tidligere antaget. Spejlreflektion skal ledsages af udskiftning af partikler med antipartikler (ladningskonjugation C), og derefter alt grundlæggende interaktioner skal være invariant. Det blev dog senere fastslået, at denne invarians ikke er universel. Der er svage henfald af de såkaldte langlivede neutrale kaoner til pioner p + , p – , som er forbudt, hvis den angivne invarians faktisk fandt sted. Dermed, særpræg svag interaktion er dens CP-ikke-invarians. Det er muligt, at denne egenskab er ansvarlig for det faktum, at stof i universet i væsentlig grad sejrer over antistof, bygget af antipartikler. Verden og antiverdenen er asymmetriske.
Spørgsmålet om hvilke partikler der er bærere af den svage vekselvirkning i lang tid var uklart. Forståelse blev opnået relativt for nylig inden for rammerne af den forenede teori om elektrosvage interaktioner - Weinberg-Salam-Glashow-teorien. Det er nu almindeligt accepteret, at bærerne af den svage interaktion er de såkaldte W + - og Z 0 -bosoner. Disse er ladet W+ og neutral Z 0 elementære partikler med spin 1 og masser lig i størrelsesorden 100 m p.