Võime suhelda on mateeria kõige olulisem ja lahutamatu omadus. Just interaktsioonid tagavad mega-, makro- ja mikromaailma erinevate materiaalsete objektide ühendamise süsteemideks. Kõik kuulsad kaasaegne teadus jõud taandatakse nelja tüüpi vastasmõjudele, mida nimetatakse fundamentaalseteks: gravitatsiooniline, elektromagnetiline, nõrk ja tugev.
Gravitatsiooniline interaktsioon sai esmakordselt füüsika uurimisobjektiks 17. sajandil. I. Newtoni gravitatsiooniteooria, mis põhineb seadusel universaalne gravitatsioon, sai üheks komponendiks klassikaline mehaanika. Universaalse gravitatsiooni seadus ütleb: kahe keha vahel on tõmbejõud, mis on otseselt võrdeline nende masside korrutisega ja pöördvõrdeline nendevahelise kauguse ruuduga (2.3). Iga aineosake on gravitatsiooni mõju allikas ja kogeb seda ise. Massi kasvades suurenevad gravitatsioonilised vastasmõjud, st mida suurem on interakteeruvate ainete mass, seda tugevamad on gravitatsioonijõud. Gravitatsioonijõud on tõmbejõud. Viimasel ajal on füüsikud oletanud gravitatsioonilise tõukejõu olemasolu, mis toimis Universumi eksisteerimise esimestel hetkedel (4.2), kuid see idee pole veel kinnitust leidnud. Gravitatsiooniline interaktsioon on praegu teadaolevalt nõrgim. Gravitatsioonijõud mõjub väga pikki vahemaid, selle intensiivsus väheneb distantsi suurenedes, kuid ei kao täielikult. Arvatakse, et gravitatsioonilise vastasmõju kandja on hüpoteetiline osake graviton. Mikromaailmas gravitatsiooniline interaktsioon olulist rolli ei mängi, kuid makro- ja eriti megaprotsessides on see juhtroll.
Elektromagnetiline interaktsioon sai 19. sajandi füüsika õppeaineks. Esimene elektromagnetvälja ühtne teooria oli J. Maxwelli kontseptsioon (2.3). Erinevalt gravitatsioonijõust eksisteerivad elektromagnetilised vastasmõjud ainult laetud osakeste vahel: elektriväli on kahe paigalseisva laetud osakese vahel, magnetväli on kahe liikuva laetud osakese vahel. Elektromagnetilised jõud võivad olla kas külgetõmbe- või tõrjuvad jõud. Tõenäoliselt laetud osakesed tõrjuvad, vastupidiselt laetud osakesed tõmbavad. Seda tüüpi interaktsiooni kandjad on footonid. Elektromagnetiline vastastikmõju avaldub mikro-, makro- ja megamaailmas.
20. sajandi keskel. loodi kvantelektrodünaamika – elektromagnetilise interaktsiooni teooria, mis rahuldas põhiprintsiipe kvantteooria ja relatiivsusteooria. 1965. aastal pälvisid selle autorid S. Tomanaga, R. Feynman ja J. Schwinger Nobeli preemia. Kvantelektrodünaamika kirjeldab laetud osakeste – elektronide ja positronite – vastasmõju.
Nõrk interaktsioon avastati alles 20. sajandil, 1960. aastatel. konstrueeriti üldine nõrga interaktsiooni teooria. Nõrk jõud on seotud osakeste lagunemisega, nii et selle avastamine järgnes alles pärast radioaktiivsuse avastamist. Osakeste radioaktiivset lagunemist jälgides avastati nähtusi, mis tundusid olevat vastuolus energia jäävuse seadusega. Fakt on see, et lagunemisprotsessi käigus "kadus osa energiast". Füüsik W. Pauli pakkus välja, et aine radioaktiivse lagunemise käigus eraldub koos elektroniga ka suure läbitungimisvõimega osake. Hiljem nimetati seda osakest "neutriinoks". Selgus, et nõrkade vastastikmõjude tulemusena lagunevad aatomituuma moodustavad neutronid kolme tüüpi osakesteks: positiivselt laetud prootoniteks, negatiivselt laetud elektronideks ja neutraalseteks neutriinodeks. Nõrk interaktsioon on palju väiksem kui elektromagnetiline interaktsioon, kuid suurem kui gravitatsiooniline interaktsioon ja erinevalt neist levib see väikeste vahemaade tagant - mitte rohkem kui 10-22 cm. Seetõttu ei täheldatud nõrka interaktsiooni eksperimentaalselt pikka aega. Nõrga interaktsiooni kandjad on bosonid.
1970. aastatel loodi elektromagnetilise ja nõrga vastasmõju üldteooria, nn elektrinõrga interaktsiooni teooria. Selle loojad S. Weinberg, A. Salam ja S. Glashow said 1979. aastal Nobeli preemia. Elektronõrga interaktsiooni teooria käsitleb kahte tüüpi fundamentaalseid interaktsioone ühe sügavama ilminguteks. Seega üle 10-17 cm kaugusel domineerib nähtuste elektromagnetiline aspekt, väiksematel kaugustel. samal määral Olulised on nii elektromagnetilised kui ka nõrgad küljed. Vaadeldava teooria loomine tähendas, et ühinedes klassikaline füüsika XIX sajandil Faraday-Maxwelli teooria raames elekter, magnetism ja valgus XX sajandi viimasel kolmandikul. mida täiendab nõrga interaktsiooni nähtus.
Tugev interaktsioon samuti avastati alles 20. sajandil. See hoiab prootoneid aatomi tuumas, takistades nende hajumist elektromagnetiliste tõukejõudude mõjul. Tugev interaktsioon toimub mitte rohkem kui 10-13 cm kaugusel ja vastutab tuumade stabiilsuse eest. Perioodilisuse tabeli lõpus olevad elementide tuumad on ebastabiilsed, kuna nende raadius on suur ja vastavalt sellele kaotab tugev interaktsioon oma intensiivsuse. Sellised tuumad lagunevad, mida nimetatakse radioaktiivseks. Aatomituumade moodustumise eest vastutab tugev interaktsioon, milles osalevad ainult rasked osakesed: prootonid ja neutronid. Tuuma vastasmõju ei sõltu osakeste laengust; seda tüüpi interaktsiooni kandjad on gluoonid. Gluoonid ühendatakse gluoonväljaks (sarnaselt elektromagnetväljaga), mille tõttu tekib tugev vastastikmõju. Tugev vastastikmõju ületab oma võimsuselt teisi teadaolevaid ja on tohutu energia allikas. Tugeva vastasmõju näide on termotuumareaktsioonid Päikeses ja teistes tähtedes. Vesinikrelvade loomisel kasutati tugeva interaktsiooni põhimõtet.
Tugeva interaktsiooni teooriat nimetatakse kvantkromodünaamika. Selle teooria kohaselt on tugev vastastikmõju gluoonide vahetuse tulemus, mille tulemuseks on kvarkide ühendus hadronites. Kvantkromodünaamika areneb edasi ja kuigi seda ei saa veel pidada tugeva interaktsiooni täielikuks kontseptsiooniks, on sellel füüsikalisel teoorial siiski kindel eksperimentaalne alus.
Kaasaegses füüsikas otsingud jätkuvad ühtne teooria, mis võimaldaks selgitada kõiki nelja tüüpi fundamentaalseid interaktsioone. Loomine sarnane teooria tähendaks ka elementaarosakeste ühtse mõiste konstrueerimist. Seda projekti nimetati "Suureks ühendamiseks". Aluseks veendumusele, et selline teooria on võimalik, on tõsiasi, et lühikestel vahemaadel (alla 10-29 cm) ja suurel energial (üle 1014 GeV) kirjeldatakse elektromagnetilist, tugevat ja nõrka vastastikmõju ühtemoodi, mis tähendab, et nende olemus on ühine. See järeldus on siiski vaid teoreetiline, seda pole veel võimalik katseliselt kontrollida.
Erinevad konkureerivad Grand Unified teooriad tõlgendavad kosmoloogiat (4.2) erinevalt. Näiteks eeldatakse, et meie Universumi sünnihetkel eksisteerisid tingimused, kus kõik neli fundamentaalset vastastikmõju ilmnesid ühtemoodi. Kõiki nelja interaktsioonitüüpi ühtsel alusel selgitava teooria loomiseks on vaja sünteesida kvarkide, kvantkromodünaamika, kaasaegse kosmoloogia ja relativistliku astronoomia teooriat.
Nelja tüüpi fundamentaalsete vastastikmõjude ühtse teooria otsimine ei tähenda aga, et mateeria muude tõlgenduste tekkimine oleks võimatu: uute vastastikmõjude avastamine, uute elementaarosakeste otsimine jne. Mõned füüsikud väljendavad kahtlust selle võimalikkuses ühtsest teooriast. Nii kirjutavad sünergeetika loojad I. Prigogine ja I. Stengers raamatus “Aeg, kaos, kvant”: “lootus sellise “kõige teooria” ülesehitamiseks, millest võiks tuletada täieliku kirjelduse. füüsiline reaalsus, tuleb loobuda,” ja põhjendavad oma teesi sünergia (7.2) raames sõnastatud seadustega.
Elementaarosakeste vastasmõju, nende tekke ja lagunemise mehhanismide mõistmisel mängisid olulist rolli säilivusseadused. Lisaks makromaailmas kehtivatele jäävusseadustele (energia jäävuse seadus, impulsi jäävuse seadus ja impulsi nurkjäävuse seadus) avastati mikromaailma füüsikas uusi: jäävuse seadus. barüon, leptoni laengud, kummalisus jne.
Iga looduskaitseseadus on seotud mingisuguse sümmeetriaga ümbritsevas maailmas. Füüsikas mõistetakse sümmeetriat kui invariantsust, süsteemi muutumatust selle teisenduste suhtes, see tähendab mitmete füüsikaliste tingimuste muutumise suhtes. Saksa matemaatik Emma Noether lõi seose ruumi ja aja omaduste ning klassikalise füüsika jäävusseaduste vahel. Matemaatilise füüsika fundamentaalne teoreem, mida nimetatakse Noetheri teoreemiks, väidab, et ruumi homogeensusest tuleneb impulsi jäävuse seadus, aja homogeensusest energia jäävuse seadus ja ruumi isotroopiast energia jäävuse seadus. järgneb nurkmoment. Need seadused on oma olemuselt fundamentaalsed ja kehtivad aine olemasolu kõikidel tasanditel.
Energia jäävuse ja muundumise seadus ütleb, et energia ei kao ega ilmu uuesti, vaid läheb ainult ühest vormist teise. Impulsi jäävuse seadus postuleerib suletud süsteemi konstantse impulsi ajas. Nurkmomendi jäävuse seadus ütleb, et suletud ahelaga süsteemi nurkimpulss jääb aja jooksul muutumatuks. Säilitusseadused on sümmeetria, st materiaalsete objektide muutumatuse, muutumatuse ja nende olemasolu füüsiliste tingimuste muutumise tagajärg.
Võime suhelda on mateeria kõige olulisem ja lahutamatu omadus. Just interaktsioonid tagavad mega-, makro- ja mikromaailma erinevate materiaalsete objektide ühendamise süsteemideks. Kõik tänapäeva teadusele teadaolevad jõud taanduvad nelja tüüpi vastasmõjudele, mida nimetatakse fundamentaalseteks: gravitatsiooniline, elektromagnetiline, nõrk ja tugev.
Gravitatsiooniline interaktsioon sai esmakordselt füüsika uurimisobjektiks 17. sajandil. I. Newtoni gravitatsiooniteooriast, mis põhineb universaalse gravitatsiooni seadusel, on saanud üks klassikalise mehaanika komponente. Iga aineosake on gravitatsiooni mõju allikas ja kogeb seda ise. Massi kasvades suurenevad gravitatsioonilised vastasmõjud, s.t. Mida suurem on interakteeruvate ainete mass, seda tugevamad on gravitatsioonijõud. Gravitatsioonijõud on tõmbejõud. Gravitatsiooniline interaktsioon on praegu teadaolevalt nõrgim. Gravitatsioonijõud toimib väga suurte vahemaade tagant, selle intensiivsus vahemaa suurenedes väheneb, kuid ei kao täielikult. Arvatakse, et gravitatsioonilise interaktsiooni kandjaks on hüpoteetiline osakeste graviton. Mikromaailmas gravitatsiooniline interaktsioon olulist rolli ei mängi, kuid makro- ja eriti megaprotsessides on see juhtroll.
Elektromagnetiline interaktsioon sai 19. sajandi füüsika õppeaineks. Esimene elektromagnetvälja ühtne teooria oli J. Maxwelli kontseptsioon. Elektromagnetiline vastastikmõju eksisteerib ainult laetud osakeste vahel: elektriväli on kahe statsionaarse laetud osakese vahel, magnetväli on kahe liikuva laetud osakese vahel. Elektromagnetilised jõud võivad olla kas külgetõmbe- või tõrjuvad jõud. Tõenäoliselt laetud osakesed tõrjuvad, vastupidiselt laetud osakesed tõmbavad. Seda tüüpi interaktsiooni kandjad on footonid. Elektromagnetiline vastastikmõju avaldub mikro-, makro- ja megamaailmas.
20. sajandi keskel. loodi kvantelektrodünaamika– elektromagnetilise vastastikmõju teooria, mis kirjeldab laetud osakeste – elektronide ja positronite – vastasmõju. 1965. aastal pälvisid selle autorid S. Tomanaga, R. Feynman ja J. Schwinger Nobeli preemia.
Nõrk interaktsioon avastati alles 20. sajandil, 60ndatel. konstrueeriti üldine nõrga interaktsiooni teooria. Nõrk jõud on seotud osakeste lagunemisega, nii et selle avastamine järgnes alles pärast radioaktiivsuse avastamist. Füüsik W. Pauli pakkus välja, et aine radioaktiivse lagunemise käigus eraldub koos elektroniga ka suure läbitungimisvõimega osake. Hiljem nimetati seda osakest "neutriinoks". Selgus, et nõrkade vastastikmõjude tulemusena lagunevad aatomituuma moodustavad neutronid kolme tüüpi osakesteks: positiivselt laetud prootoniteks, negatiivselt laetud elektronideks ja neutraalseteks neutriinodeks. Nõrk vastastikmõju on elektromagnetilisest vastastikmõjust palju väiksem, kuid gravitatsioonilisest suurem ja levib erinevalt neist väikestel vahemaadel - mitte rohkem kui 10–22 cm. Seetõttu pole nõrka vastastikmõju pikka aega eksperimentaalselt täheldatud. aega. Nõrga interaktsiooni kandjad on bosonid.
70ndatel XX sajand loodi elektromagnetilise ja nõrga vastasmõju üldteooria, nn elektrinõrga interaktsiooni teooria. Selle loojad S. Weinberg, A. Sapam ja S. Glashow said 1979. aastal Nobeli preemia. Elektronõrga interaktsiooni teooria käsitleb kahte tüüpi fundamentaalseid interaktsioone ühe sügavama ilminguteks. Seega on 10–17 cm-st suuremate kauguste puhul ülekaalus nähtuste elektromagnetiline aspekt, lühematel vahemaadel on võrdselt olulised nii elektromagnetiline kui ka nõrk aspekt. Vaadeldava teooria loomine tähendas 19. sajandi klassikalises füüsikas Faraday–Maxwelli teooria raames elektri, magnetismi ja valguse ühendamist 20. sajandi viimasel kolmandikul. mida täiendab nõrga interaktsiooni nähtus.
Tugev interaktsioon samuti avastati alles 20. sajandil. See hoiab prootoneid aatomi tuumas, takistades nende hajumist elektromagnetiliste tõukejõudude mõjul. Tugev interaktsioon toimub mitte rohkem kui 10–13 cm kaugusel ja vastutab tuumade stabiilsuse eest. Tabeli lõpus asuvate elementide tuumad D.I. Mendelejev on ebastabiilne, kuna nende raadius on suur ja seetõttu kaotab tugev interaktsioon oma intensiivsuse. Sellised tuumad lagunevad, mida nimetatakse radioaktiivseks. Aatomituumade moodustumise eest vastutab tugev interaktsioon, milles osalevad ainult rasked osakesed: prootonid ja neutronid. Tuuma interaktsioonid ei sõltu osakeste laengust, seda tüüpi interaktsiooni kandjateks on gluoonid. Gluoonid ühendatakse gluoonväljaks (sarnaselt elektromagnetväljaga), mille tõttu tekib tugev vastastikmõju. Tugev vastastikmõju ületab oma võimsuselt teisi teadaolevaid ja on tohutu energia allikas. Tugeva vastasmõju näide on termotuumareaktsioonid Päikeses ja teistes tähtedes. Vesinikrelvade loomisel kasutati tugeva interaktsiooni põhimõtet.
Tugeva interaktsiooni teooriat nimetatakse kvantkromodünaamika. Selle teooria kohaselt on tugev vastastikmõju gluoonide vahetuse tulemus, mille tulemuseks on kvarkide ühendus hadronites. Kvantkromodünaamika areneb edasi; seda ei saa veel pidada tugeva interaktsiooni täielikuks kontseptsiooniks, kuid sellel on kindel eksperimentaalne alus.
Kaasaegses füüsikas otsitakse jätkuvalt ühtset teooriat, mis selgitaks kõiki nelja tüüpi fundamentaalseid interaktsioone. Sellise teooria loomine tähendaks ka elementaarosakeste ühtse kontseptsiooni konstrueerimist. Seda projekti nimetati "Suureks ühendamiseks". Uskumusele, et selline teooria on võimalik, on aluseks asjaolu, et lühikestel vahemaadel (alla 10–29 cm) ja suurel energial (üle 10 14 GeV) kirjeldatakse elektromagnetilist, tugevat ja nõrka vastastikmõju ühtemoodi. , mis tähendab, et nende olemus on tavaline. See järeldus on siiski vaid teoreetiline, seda pole veel võimalik katseliselt kontrollida.
Elementaarosakeste vastasmõju, nende tekke ja lagunemise mehhanismide mõistmisel mängisid olulist rolli säilivusseadused. Lisaks makromaailmas kehtivatele jäävusseadustele (energia jäävuse seadus, impulsi jäävuse seadus ja impulsi nurkjäävuse seadus) avastati mikromaailma füüsikas uusi: jäävuse seadus. barüon, leptoni laengud jne.
20. sajandi teisel poolel saadi laetud osakeste kiirendite loomisega füüsikas tõeliselt hämmastavaid tulemusi. Avastatud on palju uusi subatomaarseid osakesi. Tavaliselt avastatakse uued osakesed juba teadaolevate osakeste hajumise reaktsioonide jälgimise teel. Selleks põrkuvad kiirendid võimalikult suure energiaga osakesi ja seejärel uurivad nende vastasmõju saadusi.
Subatomiliste osakeste maailm on tõeliselt mitmekesine. Juba teadaolevatele osakestele, millest aatomid ja molekulid ehitatakse (prootonid, neutronid, elektronid), lisandusid paljud teised: müüonid, mesonid, hüperonid, antiosakesed, erinevad neutraalsed osakesed jne. Subatomaalsete osakeste hulgast avastati ka osakesi, mis asuvad meid ümbritsev mateeria praktiliselt ei teki - resonantsid. Nende eluiga on sekundi väikseim murdosa. Pärast seda äärmiselt lühikest aega lagunevad nad tavalisteks osakesteks.
1950.–1970. füüsikud olid täiesti hämmingus äsja avastatud subatomaarsete osakeste arvust, mitmekesisusest ja kummalisusest. Kui 1940. aastate lõpus. Kui teada oli 15 elementaarosakest, siis 1970. aastate lõpus oli neid juba umbes 400. Miks on osakesi nii palju, jääb täiesti arusaamatuks. Kas elementaarosakesed on vaid juhuslikud mateeria killud või on nende vastasmõju taga ehk mingi kord peidus? Füüsika areng järgnevatel aastakümnetel on näidanud, et subatomaarsete osakeste maailma iseloomustab sügav struktuurne kord. See järjekord põhineb fundamentaalsetel füüsilistel vastasmõjudel.
10.1. Põhilised füüsilised vastasmõjud
10.1.1. Põhimõttelise füüsilise interaktsiooni mõiste.
Tema omas Igapäevane elu inimene seisab silmitsi paljude kehadele mõjuvate jõududega: tuule või veevoolu jõud; õhurõhk; võimas lõhkeaine plahvatus keemilised ained; inimese lihasjõud; esemete kaal; valguskvantide rõhk; elektrilaengute ligimeelitamine ja tõrjumine; seismilised lained, mis mõnikord põhjustavad katastroofilist hävingut; vulkaanipursked, mis viisid tsivilisatsioonide surmani
sioonid jne. Mõned jõud toimivad vahetult kokkupuutel kehaga, teised, näiteks gravitatsioon, toimivad distantsil, läbi ruumi. Kuid nagu loodusteaduse arengu tulemusena selgus, saab nii suurest mitmekesisusest hoolimata kõik looduses tegutsevad jõud taandada neljale fundamentaalsele vastastikmõjule.
Intensiivsuse suurenemise järjekorras on esindatud need fundamentaalsed vastasmõjud järgmisel viisil: gravitatsiooniline vastastikmõju; nõrk interaktsioon; elektromagnetiline interaktsioon; tugev interaktsioon. Just need vastasmõjud on lõppkokkuvõttes vastutavad kõigi looduses toimuvate muutuste eest; need on materiaalsete kehade ja protsesside kõigi transformatsioonide allikad. Kõigil neljal põhilisel interaktsioonil on sarnasusi ülejäänud kolmega ja samal ajal ka erinevusi.
Kõigepealt tuleks öelda, mis on nendele fundamentaalsetele interaktsioonidele ühist. Teisisõnu: kuidas mõistab kaasaegne füüsika interaktsiooni olemust? Nagu juba märgitud, 19. sajandi keskel. elektromagnetvälja teooria loomisega sai selgeks, et vastastikmõju ülekanne ei toimu koheselt (kaugtoime põhimõte), vaid piiratud kiirusega läbi mingi vahendaja – ruumis pidevalt hajuva välja ( lühiajalise tegevuse põhimõte). Elektromagnetvälja levimiskiirus on võrdne valguse kiirusega (vt 8.1.4).
Kuid juba 20. sajandi esimesel veerandil kvantmehaanika tulekuga süvenes oluliselt arusaam füüsikaväljast. Kvantlaine dualismi valguses ei ole mis tahes väli pidev, vaid sellel on diskreetne struktuur, sellele peavad vastama teatud osakesed, selle välja kvantid. Näiteks elektromagnetvälja kvantideks on footonid. Kui laetud osakesed vahetavad üksteisega footoneid, tekib elektromagnetväli. Footonid on elektromagnetilise interaktsiooni kandjad.
Samamoodi on teist tüüpi fundamentaalsetel interaktsioonidel oma väljad ja vastavad osakesed, mis seda välja interaktsiooni kannavad. Põhiülesanne on nende väljade ja osakeste – fundamentaalsete interaktsioonide kandjate – spetsiifiliste omaduste, mustrite uurimine. kaasaegne füüsika.
10.1.2. Gravitatsioon.
Gravitatsioon oli esimene neljast fundamentaalsest interaktsioonist, mis sai teadusliku uurimistöö objektiks. Loodud 17. sajandil. Newtoni gravitatsiooniteooria (universaalse gravitatsiooni seadus) võimaldas esimest korda mõista gravitatsiooni kui loodusjõu tegelikku rolli (vt 6.4.1). Relativistlik gravitatsiooniteooria on üldrelatiivsusteooria, mis nõrkade gravitatsiooniväljade piirkonnas muundub Newtoni gravitatsiooniteooriaks.
Gravitatsioonil on mitmeid tunnuseid, mis eristavad seda teravalt teistest fundamentaalsetest interaktsioonidest. Gravitatsiooni kõige üllatavam omadus on selle madal intensiivsus. Gravitatsiooniline vastastikmõju on 1039 korda väiksem kui elektrilaengute vastasmõju jõud. Seetõttu ei võeta seda tavaliselt elementaarosakeste vastastikmõju kirjeldamisel arvesse. Mikromaailmas on gravitatsioon tühine.
1 Kui vesinikuaatomi mõõtmed määraks gravitatsioon, mitte elektrilaengute vastastikmõju, siis ületaks madalaima (tuumale lähima) elektroni orbiidi raadius Universumi vaadeldava osa raadiuse.
Kuidas saab nii nõrk jõud universumis domineerivaks jõuks? See kõik puudutab gravitatsiooni teist hämmastavat omadust – selle universaalsust. Miski universumis ei pääse gravitatsioonist. Iga osake kogeb gravitatsiooni mõju ja on ise gravitatsiooni allikas, põhjustades gravitatsioonilist külgetõmmet. Gravitatsioon suureneb, kui moodustuvad üha suuremad ainekogumid. Ja kuigi ühe aatomi külgetõmbejõud on tühine, võib kõigi aatomite külgetõmbejõud olla märkimisväärne. See avaldub ka igapäevaelus: tunneme gravitatsiooni, sest kõik Maa aatomid kokku tõmbavad meid.
Lisaks on gravitatsioon looduse pikamaajõud. See tähendab, et kuigi gravitatsioonilise vastasmõju intensiivsus kaugusega väheneb, levib see ruumis ja võib mõjutada allikast väga kaugel asuvaid kehasid. Astronoomilisel skaalal mängivad olulist rolli gravitatsioonilised vastasmõjud. Tänu pikamaategevusele takistab gravitatsioon Universumi lagunemist: hoiab planeete orbiitidel, tähti galaktikates, galaktikaid parvedena, parved metagalaktikas.
Osakeste vahel mõjuv gravitatsioonijõud on alati ligitõmbav jõud: see kipub osakesi üksteisele lähemale tooma. Gravitatsioonilist tõrjumist pole kunagi varem täheldatud.
1 Kuigi kvaasiteadusliku mütoloogia traditsioonides on terve valdkond, mida nimetatakse levitatsiooniks - antigravitatsiooni "faktide" otsimine.
Gravitatsiooni kvantifitseerimise ideid on väga raske arendada. Sellegipoolest peaks üldiste teoreetiliste ja füüsikaliste kontseptsioonide kohaselt gravitatsiooniline interaktsioon järgima kvantseadused täpselt nagu elektromagnetiline. (Vastasel juhul tekivad kaasaegse füüsika alustes mitmekordsed vastuolud, sealhulgas need, mis on seotud määramatuse printsiibiga jne.) Sel juhul peab gravitatsiooniline vastastikmõju vastama gravitatsioonikvantiga väljale - gravitonile (nullpuhkega neutraalne osake mass ja tsentrifuugimine 2). Kvantgravitatsioon toob kaasa ajaruumi diskreetsete omaduste idee, elementaarpikkuse, ruumikvanti r ≈ 10–33 cm ja elementaarse ajaintervalli, ajakvant t ≈ 10–43 s, tekkimise. Järjekindlat gravitatsiooni kvantteooriat pole veel loodud.
Kahjuks ei võimalda kaasaegse eksperimentaalse gravitatsioonifüüsika ja astronoomia võimalused tuvastada kvantefektid nende äärmise nõrkuse tõttu. Sellegipoolest eksisteerivad ilmselt nähtused, milles avalduvad gravitatsiooni kvantomadused. Need avalduvad väga tugevates gravitatsiooniväljades, kus toimuvad osakeste loomise kvantprotsessid (singulaarsuspunkt, esialgsed hetked Universumi päritolu, gravitatsiooniline kollaps, mustad augud (vt 11.4 ja 11.7)).
10.1.3. Elektromagnetism.
Elektrilised jõud on palju suuremad kui gravitatsioonijõud, mistõttu on erinevalt nõrgast gravitatsioonilisest vastasmõjust normaalse suurusega kehade vahel mõjuvaid elektrijõude lihtne jälgida. Elektromagnetism on inimestele teada olnud juba ammusest ajast ( aurorad, välgusähvatused jne). Kuid pikka aega uuriti elektrilisi ja magnetilisi nähtusi üksteisest sõltumatult. Ja seda alles 19. sajandi keskel. J. C. Maxwell ühendas elektri ja magnetismi õpetused ühtseks elektromagnetilisuse teooriaks
põldu pole. Ja elektroni (elektrilaengu ühik) olemasolu kinnitati kindlalt 1890. aastatel. Kuid mitte kõik elementaarosakesed ei ole elektrilaengu kandjad. Elektriliselt neutraalsed, näiteks footon ja neutriino. Nii erineb elekter gravitatsioonist. Kõik materjaliosakesed loovad gravitatsioonivälja, samas kui elektrilised magnetväli Seotakse ainult laetud osakesed.
Nagu elektrilaengud, nagu magnetpoolused tõrjuvad ja vastupidised tõmbuvad. Kuid erinevalt elektrilaengutest ei esine magnetpoolused üksikult, vaid ainult paarikaupa - põhjapoolus ja lõunapoolus. Juba iidsetest aegadest on teada, et magneti jagamise teel on püütud saada ainult üks isoleeritud magnetpoolus - monopool. Kuid nad kõik lõppesid ebaõnnestumisega. Võib-olla on isoleeritud magnetpooluste olemasolu looduses välistatud? Sellele küsimusele pole veel kindlat vastust. Mõned kaasaegsed teooriad lubavad magnetmonopoli olemasolu võimalust (vt 10.3.5).
Statsionaarsete või ühtlaselt liikuvate laetud osakeste elektromagnetväli on nendest osakestest lahutamatu. Aga kui kiirendatud liikumine osakesed, elektromagnetväli "murdub" neist lahti ja osaleb iseseisval kujul elektromagnetlained. Sel juhul raadiolained (103-1012 Hz), infrapunakiirgus(1012 - 3,7 1014 Hz), nähtav valgus (3,7 1014 - 7,5 1014 Hz), ultraviolettkiirgus (7,5 1014 - 3 1017 Hz), röntgenkiirgus (3 1017 - 3 1020 Hz) ja gamma-102- kiirgus 1023 Hz) on erineva sagedusega elektromagnetlained. Pealegi pole naabervahemike vahel teravaid piire (elektromagnetlaine pikkus ja selle sagedus on seotud seosega: λ = c/v, kus λ on lainepikkus, v on sagedus, c on valguse kiirus) .
Elektromagnetiline interaktsioon (nagu gravitatsioon) on pikamaa, see on märgatav allikast suurel kaugusel. Nagu gravitatsioon, järgib see seadust pöördruudud. Elektromagnetiline vastastikmõju avaldub kõikidel ainetasanditel – megamaailmas, makromaailmas ja mikromaailmas.
Maa elektromagnetväli ulatub kaugele avakosmosesse, võimas Päikese väli täidab kogu Päikesesüsteemi; Samuti on olemas galaktilised elektromagnetväljad. Samal ajal määrab elektromagnetiline vastastikmõju aatomite ja molekulide struktuuri (positiivselt laetud tuum ja negatiivselt laetud elektronid). See vastutab enamiku füüsikaliste ja keemiliste nähtuste ja protsesside eest (välja arvatud tuumaprotsessid): elastsusjõud, hõõrdumine, pindpinevus, määrab omadused agregatsiooniseisundid ained, keemilised muutused, optilised nähtused, ionisatsiooninähtused, paljud reaktsioonid elementaarosakeste maailmas jne.
10.1.4. Nõrk interaktsioon.
Füüsika on aeglaselt liikunud nõrga interaktsiooni olemasolu tuvastamise suunas. Nõrk interaktsioon põhjustab osakeste lagunemise. Seetõttu puututi selle avaldumisega kokku radioaktiivsuse avastamise ja beeta-lagunemise uurimise käigus (vt 8.1.5).
Leiti, et beeta-lagunemine on kõrge kummaline omadus. Tundus, et selles lagunemises rikuti energia jäävuse seadust, et osa energiast kadus kuhugi. Energia jäävuse seaduse “päästmiseks” pakkus W. Pauli, et beetalagunemise ajal lendab koos elektroniga välja ka teine osake, võttes endaga kaasa puuduoleva energia. See on neutraalne ja ebatavaliselt kõrge läbitungimisvõimega, mistõttu seda ei olnud võimalik jälgida. E. Fermi nimetas nähtamatut osakest neutriinoks.
Kuid neutriinode ennustamine on alles probleemi algus, selle sõnastus. Neutriinode olemust oli vaja selgitada, siin jäi palju mõistatust. Fakt on see, et elektrone ja neutriinosid kiirgasid ebastabiilsed tuumad, kuid oli teada, et tuumade sees selliseid osakesi ei olnud. Kuidas need tekkisid? Selgus, et tuumas sisalduvad neutronid lagunevad mõne minuti pärast prootoniks, elektroniks ja neutriinoks. Millised jõud põhjustavad sellist lagunemist? Analüüs näitas, et teadaolevad jõud ei suuda sellist lagunemist põhjustada. Ilmselt tekitas selle mingi muu, tundmatu jõud, mis vastab mingile "nõrgale interaktsioonile".
Nõrk interaktsioon on palju väiksem kui kõik vastasmõjud, välja arvatud gravitatsiooniline vastastikmõju. Seal, kus see esineb, varjutavad selle mõju elektromagnetilised ja tugevad vastasmõjud. Lisaks ulatub nõrk interaktsioon väga väikestele vahemaadele. Nõrkade raadius
interaktsioon on väga väike (10-16 cm). Seetõttu ei saa see mõjutada mitte ainult makroskoopilisi, vaid isegi aatomiobjekte ning piirdub subatomaarsete osakestega. Lisaks on nõrk interaktsioon võrreldes elektromagnetilise ja tugeva vastasmõjuga äärmiselt aeglane.
Kui paljude ebastabiilsete subtuumaosakeste laviinilaadne avastamine algas, avastati, et enamik neist osaleb nõrkades interaktsioonides. Nõrgal interaktsioonil on looduses väga oluline roll. See on Päikese ja tähtede termotuumareaktsioonide lahutamatu osa, pakkudes pulsaride ja plahvatuste sünteesi supernoovad, keemiliste elementide süntees tähtedes jne.
Nõrga interaktsiooni teooria loodi 1960. aastate lõpus. (vt 10.3.3). Selle teooria loomine oli suur samm füüsika ühtsuse suunas.
10.1.5. Tugev interaktsioon.
Põhiliste interaktsioonide reas viimane on tugev vastastikmõju, mis on tohutu energia allikas. Kõige tüüpilisem näide vabanevast energiast tugev interaktsioon, - Päike. Päikese ja tähtede sügavustes toimuvad pidevalt termotuumareaktsioonid, mis on põhjustatud tugevast vastasmõjust (nõrga interaktsiooni olulise osalusega). Kuid inimene on õppinud tekitama ka tugevat vastasmõju: loodud H-pomm, on välja töötatud ja täiustatud kontrollitud termotuumareaktsiooni tehnoloogiaid.
Füüsika jõudis ideele tugeva interaktsiooni olemasolust aatomituuma struktuuri uurimisel. Mingi jõud peab positiivselt laetud prootoneid tuumas hoidma, vältides nende lendumist elektrostaatilise tõuke mõjul. Gravitatsioon on selle tagamiseks liiga nõrk; Ilmselgelt on mingisugune interaktsioon vajalik ja tugevam kui elektromagnetiline. Hiljem see avastati ja seda nimetati "tugevaks interaktsiooniks".
Selgus, et kuigi tugev vastastikmõju ületab oma suuruselt oluliselt kõiki teisi fundamentaalseid interaktsioone, ei ole see väljaspool tuuma tunda. Tugev interaktsioon avaldub vahemaa poolt määratud kaugusel
põhimeetmed, s.o. umbes 10-13 cm. Peamine funktsioon tugev vastastikmõju looduses - tugevate sidemete loomine nukleonite (prootonite ja neuronite) vahel aatomite tuumades. Sel juhul põhjustab suure energiaga tuumade või nukleonide kokkupõrge mitmesuguseid tuumareaktsioonid, sealhulgas reaktsioonid termotuumasünteesi Päikesel, mis on peamine energiaallikas Maal.
Samas selgus, et mitte kõik osakesed ei koge tugevat vastasmõju. Seega prootonid ja neutronid kogevad seda, kuid elektronid, neutriinod ja footonid sellele ei allu. Tavaliselt osalevad tugevas vastasmõjus ainult rasked osakesed.
Tugeva interaktsiooni olemuse teoreetilist selgitust on olnud raske välja töötada. Läbimurre ilmnes alles 1960. aastate alguses, kui pakuti välja kvargi mudel. Selles teoorias käsitletakse neutroneid ja prootoneid mitte elementaarosakestena, vaid kvarkidest üles ehitatud liitsüsteemidena (vt 10.3.2).
Seega on fundamentaalsetes füüsikalistes interaktsioonides selgelt näha erinevus kaug- ja lühimaajõudude vahel. Ühelt poolt piiramatu raadiusega (gravitatsioon, elektromagnetism) ja teiselt poolt väikese raadiusega (tugev ja nõrk) vastastikmõju. Füüsikaliste protsesside maailm rullub lahti nende kahe polaarsuse piirides ja kehastab üliväikese ja ülisuure ühtsust – mikromaailma ja megamaailma, elementaarosake ja kogu universum.
10.1.6. Füüsika ühtsuse probleem.
Teadmised on reaalsuse üldistus ja seetõttu on teaduse eesmärk looduse ühtsuse otsimine, sidudes üksteisest erinevad teadmiste killud ühtseks pildiks. Selleks, et luua selline ühtne süsteem, peate avama sügavuse ühenduslüli vahel erinevatest tööstusharudest teadmisi. Selliste seoste leidmine on teadusliku uurimistöö üks peamisi ülesandeid. Alati, kui on võimalik selliseid uusi seoseid luua, süveneb oluliselt arusaam ümbritsevast maailmast, kujunevad uued teadmisviisid, mis näitavad teed senitundmatute nähtuste juurde.
Sügavate seoste loomine erinevate loodusalade vahel on nii teadmiste süntees kui uus meetod, suunav Teaduslikud uuringud löömata teedel. Nii tähistas Newtoni väljaselgitamine seose kohta maapealsetes tingimustes kehade külgetõmbe ja planeetide liikumise vahel klassikalise mehaanika sündi, millele tuginedes ehitatakse üles tänapäevase tsivilisatsiooni tehnoloogiline alus. Seose loomine gaasi termodünaamiliste omaduste ja molekulide kaootilise liikumise vahel pani aine aatom-molekulaarsele teooriale kindlale alusele. Eelmise sajandi keskel lõi Maxwell singli elektromagnetiline teooria, mis hõlmab nii elektrilisi kui ka magnetnähtusi. Siis 1920. aastatel. Einstein püüdis ühendada elektromagnetismi ja gravitatsiooni üheks teooriaks.
Kuid 20. sajandi keskpaigaks. Olukord füüsikas muutus radikaalselt: avastati kaks uut fundamentaalset vastasmõju – tugev ja nõrk. Loomise ajal ühtne füüsika me ei pea enam arvestama kahe, vaid nelja fundamentaalse vastasmõjuga. See jahutas mõnevõrra nende õhinat, kes lootsid füüsika ühtsuse probleemile kiiret lahendust. Plaani ennast aga tõsiselt kahtluse alla ei seatud.
Kaasaegses teoreetilises füüsikas on domineeriv seisukoht, et kõik neli (või vähemalt kolm) vastastikmõju on sama iseloomuga nähtused ja nende ühtne olemus on leitav. teoreetiline kirjeldus. Füüsikaliste elementide maailma ühtse teooria loomise väljavaade (mis põhineb ühel fundamentaalsel interaktsioonil) on kaasaegse füüsika kõrgeim ideaal. See peamine unistus füüsikud. Kuid see jäi pikaks ajaks vaid unistuseks ja väga ebamääraseks.
Kuid 20. sajandi teisel poolel. olid eeldused unistuse täitumiseks ja kindlustunne, et see pole sugugi kauge tuleviku küsimus. Näib, et see võib peagi reaalsuseks saada. Otsustav samm ühtse teooria suunas astuti 1960.–1970. aastatel. esmalt kvarkide teooria ja seejärel elektronõrga interaktsiooni teooria loomisega. On põhjust arvata, et oleme võimsama ja sügavama ühinemise lävel kui kunagi varem. Füüsikute seas on kasvamas arvamus, et tugevate, nõrkade ja elektromagnetiliste vastastikmõjude ühtse teooria – Suure ühendamise – kontuurid hakkavad tekkima. Ja kohe ümber nurga on kõigi fundamentaalsete interaktsioonide ühtne teooria – supergravitatsioon.
10.2. Elementaarosakeste klassifikatsioon
10.2.1. Subatomaarsete osakeste omadused.
20. sajandil, eriti selle teisel poolel, avastati aine struktuurse korralduse uus süvakiht – elementaarosakeste maailm. See nimi pole aga täpne. Elementaarosakese all sisse täpne väärtus mõista paremini aine lagunematuid "ehitusplokke", mis moodustavad selle struktuurilise organisatsiooni. Tegelikult osutus suurem osa avastatud osakestest süsteemseteks moodustisteks, mis koosnesid veelgi enam elementaarosakestest. Seetõttu on õigem öelda, et “elementaarosakeste maailm on aine eriline organiseerituse tase - subtuumaaine, mille vormidest struktureeritakse aine tuumad ja aatomid, füüsikalised väljad. Kuid kuna mõiste “elementaarosakesed” on välja kujunenud ja laialdaselt kasutatav, kasutame seda “subtuumaaine” tähenduses.
Elementaarosakeste uurimine on näidanud, et nad sünnivad ja hävivad suhtlemisel teiste elementaarosakestega. Lisaks võivad nad spontaanselt laguneda. Kõik need osakeste muundumised (lagunemine, sünd, hävimine) realiseeruvad osakeste järjestikuste neeldumiste ja emissioonide kaudu.
Elementaarosakeste omadused on mitmekesised. Seega on igal osakesel oma antiosake, mis erineb temast vaid oma laengu märgi poolest. Kõigi laengute nullväärtusega osakeste puhul langeb antiosake kokku osakesega (näiteks footon). Iga elementaarosakest iseloomustab teatud füüsikaliste suuruste väärtuste komplekt. Nende hulka kuuluvad: mass, elektrilaeng, spin, osakeste eluiga, magnetmoment, ruumiline paarsus, leptonilaeng, barüonilaeng jne.
Kõikide osakeste üldised omadused: mass, eluiga, spin. Kui nad räägivad osakese massist, peavad nad silmas selle puhkemassi, kuna see ei sõltu liikumisolekust. Null puhkemassiga osake liigub valguse kiirusel (footon). Kahel osakesel pole sama mass. Elektron on kõige kergem nullist erineva puhkemassiga osake. Prooton ja neutron on peaaegu 2000 korda raskemad kui elektron. Ja kõige raskema kiirendites toodetud elementaarosakese (Z-boson) mass on 200 000 korda suurem kui elektroni mass.
Osakese oluline omadus on spin – osakese enda nurkimment. Seega on prootoni, neutroni ja elektroni spinn 1/2 ja footoni spinn on 1. Tuntud on osakesed spinniga 0,3/2,2. Osake, mille spinn on 0, näeb iga pöördenurga korral ühesugune välja. Spin 1-ga osake omandab sama kuju pärast täielikku 360° pöörlemist. Osake, mille pöörlemine on 1/2, omandab oma varasema välimuse pärast 720° pöörlemist jne. Spin 2 (hüpoteetiline graviton) osake naaseb poole pöörde järel (180°) oma eelmisele positsioonile. Sõltuvalt spinnist jagunevad kõik osakesed kahte rühma: bosonid – osakesed täisarvu spinniga 0, 1 ja 2; fermionid on pooltäisarvuliste spinnidega (1/2, 3/2) osakesed. Osakesi, mille spinn on suurem kui 2, ei pruugi üldse eksisteerida.
Osakesi iseloomustab ka nende eluiga. Selle kriteeriumi alusel jagatakse osakesed stabiilseteks ja ebastabiilseteks. Stabiilsed osakesed on elektron, prooton, footon ja neutriino. (Prootoni stabiilsuse küsimus pole veel täielikult lahendatud. Võimalik, et see laguneb t = 1031 aastaga.) Neutroon on stabiilne, kui ta on aatomi tuumas, vaba neutron aga laguneb umbes 15 minutit. Kõik teised teadaolevad osakesed on ebastabiilsed; nende eluiga ulatub mõnest mikrosekundist 10-24 sekundini. Kõige ebastabiilsemad osakesed on resonants. Nende eluiga on 10-22-10-24 s.
Suurt rolli elementaarosakeste füüsikas mängivad säilivusseadused, mis kehtestavad süsteemi alg- ja lõppseisundit iseloomustavate teatud suuruskombinatsioonide võrdsuse. Jäävusseaduste arsenal on kvantfüüsikas suurem kui klassikalises füüsikas. Seda täiendati erinevate pariteetide (ruumiline, laeng), laengute (leptooniline, barüon jne), ühele või teisele interaktsioonitüübile iseloomulike sisesümmeetriate jäävuse seadustega. Pealegi, mida intensiivsem on interaktsioon, seda rohkematele säilivusseadustele see vastab, s.t. Lisaks on see sümmeetriline. Kvantfüüsikas on säilivusseadused alati keeluseadused. Aga kui mingi protsess on looduskaitseseadustega lubatud, siis see toimub tingimata tegelikkuses.
Jäävusseaduste ideede arenemise tipp kvantfüüsikas on spontaanse sümmeetria katkemise kontseptsioon, s.o. stabiilsete asümmeetriliste lahenduste olemasolu teatud tüüpi probleemidele. 1960. aastatel kombineeritud nn rikkumine
selgus. Teisisõnu avastati, et mikrokosmoses on absoluutsed erinevused osakeste ja antiosakeste, "parempoolse" ja "vasakpoolse", mineviku ja tuleviku vahel (aja nool ehk mikroprotsesside pöördumatus, mitte ainult makroprotsessid). ).
Üksikute subatomaarsete osakeste isoleerimine ja nende omaduste tundmine on oluline, kuid alles nende maailma mõistmise algstaadium. Järgmises etapis peame ikkagi aru saama, mis on iga üksiku osakese roll, millised on tema funktsioonid aine struktuuris.
Füüsikud on leidnud, et ennekõike määrab osakese omadused tema võime (või suutmatus) osaleda tugevas vastasmõjus. Tugevas interaktsioonis osalevad osakesed moodustavad eriklassi ja neid nimetatakse hadroniteks. Osakesi, mis osalevad valdavalt nõrkades interaktsioonides ja ei osale tugevas vastasmõjus, nimetatakse leptoniteks. Lisaks on osakesed, mis on interaktsioonide kandjad.
Vaatleme nende peamiste osakeste tüüpide omadusi.
10.2.2. Leptonid.
Leptonid käituvad nagu punktobjektid, millel puudub sisemine struktuur isegi ülisuure energia korral. Need näivad olevat elementaarsed (selle sõna õiges tähenduses) objektid, s.t. need ei koosne muudest osakestest. Kuigi leptonitel võib olla või mitte olla elektrilaeng, on nende kõigi pöörlemissagedus 1/2.
Leptonitest on kõige kuulsam elektron. Elektron on esimene avastatud elementaarosake. Elektron on looduses väikseima massi ja väikseima elektrilaengu (kvarke arvestamata) kandja.
Teine tuntud lepton on neutriino. Neutriinod koos footonitega on universumi kõige levinumad osakesed. Universumit võib ette kujutada piiritu footon-neutriinookeanina, milles aeg-ajalt leidub aatomite saari. Kuid hoolimata neutriinode levimusest on neid väga raske uurida. Nagu me juba märkisime, on neutriinod peaaegu tabamatud ja neil on tohutu läbitungiv jõud, eriti madala energia korral. Osalemata tugevas või elektromagnetilises vastasmõjus, tungivad nad läbi mateeria, nagu poleks seda üldse olemas. Neutriinod on teatud tüüpi "kummitus" füüsiline maailm. Ühelt poolt raskendab see nende tuvastamist, teisalt aga loob võimaluse uurida tähtede, galaktikate tuumade, kvasarite jne siseehitust.
Üks huvitavaid lehekülgi neutriinode uurimise ajaloos on seotud nende massi küsimusega: kas neutriinol on puhkemass või mitte. Teooria lubab, et erinevalt footonist võib neutriinol olla väike puhkemass. Kui neutriinol on tõesti puhkemass (hinnanguliselt 0,1 eV kuni 10 eV), siis on sellel põhjapanevad tagajärjed suure ühinemise teoorias, kosmoloogias ja astrofüüsikas. Peaaegu 60 aastat kestnud füüsikute “jahtimine” tabamatu osakese massi järele näib lõppevat. On põhjust arvata, et lähiaastatel saab see küsimus lõplikult lahendatud uutes katserajatistes (Jaapan, Itaalia).
Muuonid on looduses üsna laialt levinud, moodustades olulise osa kosmilisest kiirgusest. Muuon on üks esimesi teadaolevaid ebastabiilseid subatomaarseid osakesi, mis avastati aastal 1936. Muuon meenutab igas mõttes elektroni: tal on sama laeng ja spinn, ta osaleb samades interaktsioonides, kuid on suurema massiga ja ebastabiilne. Umbes kahe miljondiku sekundiga laguneb müüon elektroniks ja kaheks neutriinoks. Ainesse tungides interakteeruvad müüonid aatomite tuumade ja elektronidega ning moodustavad ebatavalisi ühendeid. Positiivne müüon, sidudes elektroni enda külge, moodustab vesinikuaatomiga sarnase süsteemi – muooniumi, mille keemilised omadused on paljuski sarnased vesiniku omadustega. Ja negatiivne müüon võib asendada ühe elektronkihi elektronidest, moodustades nn mesoaatomi. Mesoaatomis paiknevad müonid tuumale sadu kordi lähemal kui elektronid. See võimaldab mesoaatomi abil uurida tuuma kuju ja suurust.
1970. aastate lõpus. Avastati kolmas laetud lepton, mida nimetatakse tau leptoniks. See on väga raske osake. Selle mass on umbes 3500 elektroni massist, kuid muus osas käitub ta nagu elektron ja müüon.
Leptonite nimekiri laienes oluliselt 1960. aastatel. Leiti, et neutriinosid on mitut tüüpi: elektronneutriinod, muuonneutriinod ja maineutriinod. Seega on neutriinosorte kokku kolm ja leptoneid kokku kuus. Loomulikult on igal leptonil oma antiosake; seega on erinevate leptonite koguarv 12. Neutraalsed leptonid osalevad ainult nõrgas interaktsioonis; laetud - nõrgas ja elektromagnetilises (vt tabelit).
10.2.3. Hadronid.
Kui leptonit on ainult 12, siis hadroneid on sadu. Valdav enamus neist on resonants, s.o. äärmiselt ebastabiilsed osakesed. Asjaolu, et hadroneid on sadu, viitab sellele, et hadroneid ise on ehitatud rohkematest materjalidest peened osakesed.
Kõiki hadroneid leidub kahte tüüpi – elektriliselt laetud ja neutraalsed. Kõige kuulsamad ja levinumad hadronid on neutron ja prooton. Ülejäänud hadronid lagunevad kiiresti. Hadronid jagunevad kahte klassi. See on barüonide (rasked osakesed) klass (prootonid, neutronid, hüperonid ja barüonide resonants) ning suur kergemate mesonite perekond (müüonid, bosoonilised resonantsid jne).
Enamiku tuntud hadronite olemasolu ja omadused tehti kindlaks kiirendikatsetes. Paljude erinevate hadronite avastamine 1950. ja 1960. aastatel. füüsikud olid ülimalt hämmingus. Kuid aja jooksul klassifitseeriti osakesed massi, laengu ja pöörlemise järgi. Tasapisi hakkas enam-vähem selge pilt tekkima. On tekkinud konkreetsed ideed, kuidas empiiriliste andmete kaost süstematiseerida ja hadronite saladust terviklikult paljastada. teaduslik teooria. Otsustav samm astuti 1963. aastal, kui pakuti välja hadronite kvargimudel.
10.2.4. Osakesed on vastastikmõjude kandjad.
Teadaolevate osakeste loetelu ei piirdu leptonite ja hadronitega, mis moodustavad aine ehitusmaterjali. On ka teist tüüpi osakesi, mis ei ole aine ehitusmaterjaliks, vaid tagavad otseselt fundamentaalse koostoime, s.t. moodustavad mingi “liimi”, mis takistab aine lagunemist.
Elektromagnetilise interaktsiooni kandjaks on footon. Elektromagnetilise vastastikmõju teooriat esindab kvantelektrodünaamika (vt 10.3.1).
Gluoonid (neid on kaheksa) on kvarkide vahelise tugeva vastasmõju kandjad. Viimased on tänu gluoonidele seotud paaride või kolmikutena (vt 10.3.2 ja 10.3.4).
Nõrga interaktsiooni kandjateks on kolm osakest - W± ja Z° -bosonid (vt 10.3.3). Need avastati alles 1983. Nõrga interaktsiooni raadius on äärmiselt väike, seega peavad selle kandjad olema osakesed suured massid rahu. Määramatuse printsiibi järgi peaks nii suure puhkemassiga osakeste eluiga olema äärmiselt lühike - ainult umbes 10-26 s.
Arvatakse, et võimalik on ka gravitatsioonivälja kandja gravitoni olemasolu (vt 10.1.2). Nagu footonid, liiguvad gravitonid valguse kiirusel; seetõttu on tegemist nulli puhkemassiga osakestega. Aga kui footonil on spin 1, siis gravitonil on spinn 2. See oluline erinevus määrab jõu suuna: elektromagnetilise vastasmõju käigus tõrjuvad sarnaselt laetud osakesed (elektronid) ja gravitatsioonilise vastasmõju käigus tõmbuvad kõik osakesed üksteise poole.
Eriti oluline on, et igat nende interaktsioonikandjate rühma iseloomustavad oma spetsiifilised säilitusseadused. Ja iga jäävusseadust saab kujutada välja (liikumis-) võrrandite teatud sisemise sümmeetria ilminguna. Seda asjaolu kasutatakse põhiliste interaktsioonide ühtse teooria koostamiseks.
Osakeste klassifitseerimine hadroniteks, leptoniteks ja vastastikmõju kandjateks ammendab meile tuntud subtuumaosakeste maailma. Iga osakeste tüüp mängib oma rolli aine, universumi struktuuri kujunemisel.
10.3. Osakeste teooriad
10.3.1. Kvantelektrodünaamika.
Kvantmehaanika võimaldab kirjeldada elementaarosakeste liikumist, kuid mitte nende tekkimist või hävitamist, s.t. kasutatakse ainult konstantse osakeste arvuga süsteemide kirjeldamiseks. Kvantmehaanika üldistus on kvantväljateooria – see on süsteemide teooria lõpmatu arv vabadusastmed (füüsikalised väljad), võttes arvesse nii kvantmehaanika kui ka relatiivsusteooria nõudeid. Vajaduse sellise teooria järele tekitab kvantlaine dualism, olemasolu laine omadused kõigi osakeste jaoks. Kvantväljateoorias on interaktsioon kujutatud väljakvantide vahetuse tulemusena ning väljasuurused deklareeritakse operaatorite poolt, mis on seotud väljakvantide sünni- ja hävimisaktidega, s.t. osakesed.
20. sajandi keskel. loodi elektromagnetilise interaktsiooni teooria – kvantelektrodünaamika (QED). See on elektromagnetvälja ja laetud osakeste, aga ka laetud osakeste (peamiselt elektronide või positronite) vastastikmõju teooria, mis on peensusteni läbi mõeldud ja varustatud täiusliku matemaatilise aparaadiga. See teooria rahuldab nii kvantteooria kui ka relatiivsusteooria aluspõhimõtteid.
QED-is kasutatakse elektromagnetilise interaktsiooni kirjeldamiseks virtuaalse footoni mõistet, mida "näevad" ainult hajuvad laetud osakesed. Kui klassikalises kirjelduses on elektronid kujutatud tahkepunktilise kuulina, siis QED-s käsitletakse elektroni ümbritsevat elektromagnetvälja virtuaalsete footonite pilvena, mis järgib halastamatult elektroni, ümbritsedes seda energiakvantidega. Footonid tekivad ja kaovad väga kiiresti ning elektronid ei liigu ruumis mööda täpselt määratletud trajektoore. Samuti saate määrata esialgse ja lõpp-punkt rajad - enne ja pärast hajumist, kuid tee ise liikumise alguse ja lõpu vahelises intervallis jääb ebakindlaks.
Mõelge näiteks elektronilt (virtuaalse) footoni kiirgamisele. Pärast seda, kui elektron kiirgab footoni, tekitab see (virtuaalse) elektron-positroni paari, mis võib annihileeruda, moodustades uue footoni. Viimast saab algne elektron absorbeerida, kuid see võib genereerida uus paar jne. Seega on elektron kaetud virtuaalsete footonite, elektronide ja positronite pilvega, mis on dünaamilises tasakaalus.
QED-is ilmneb elektromagnetvälja ja laetud osakese interaktsioon virtuaalsete footonite emissiooni ja neeldumise kujul osakese poolt. Ja laetud osakeste vastastikmõju tõlgendatakse nende footonite vahetuse tulemusena: iga laetud osake kiirgab footoneid, mis seejärel neelduvad teise laetud osakesega. Lisaks arvestab QED efektidega, mida klassikalises elektrodünaamikas üldse ei eksisteerinud. Esiteks on see valguse poolt valguse hajumise mõju, s.o. footonite vastastikmõjud. QED vaatepunktist on selline hajumine võimalik tänu footonite koostoimele elektron-positroni vaakumi kõikumisega. Ja teiseks ennustas QED osakeste-osakeste paaride sündi tugevates elektromagnetilistes ja gravitatsiooniväljades, mille hulgas võib olla ka nukleon-antinukleon.
QED-d on testitud paljudes väga peentes katsetes. Teoreetilised ennustused ja katsete tulemused langevad kokku kõrgeim täpsus- mõnikord kuni üheksa kohta pärast koma. Selline silmatorkav kirjavahetus annab õiguse pidada QED-d olemasolevatest kõige arenenumaks. loodusteaduslikud teooriad. QED loomise eest pälvisid S. Tomonaga, R. Feynman ja J. Schwinger 1965. aastal Nobeli preemia. Ka meie silmapaistev teoreetiline füüsik L. D. andis suure panuse QED arendamisse. Landau.
Pärast seda triumfi võeti QED kasutusele kolme ülejäänud põhilise interaktsiooni kvantkirjelduse mudelina. (Muidugi peavad muude interaktsioonidega seotud väljad vastama teistele kandjaosakestele.) Praegu toimib QED rohkemate seadmete lahutamatu osana. üldine teooria— nõrkade ja elektromagnetiliste vastastikmõjude ühtne teooria (vt 10.3.3).
10.3.2. Kvarkide teooria.
Kvarkide teooria on hadronite ehituse teooria. Selle teooria põhiidee on väga lihtne: kõik hadronid on ehitatud väiksematest osakestest - kvarkidest. Kvargid kannavad murdosa elektrilaengut, mis on kas -1/3 või +2/3 elektroni laengust. Kahe ja kolme kvargi kombinatsioonil võib olla netolaeng võrdne nulliga või üksus. Kõigil kvarkidel on spinn 1/2, seetõttu liigitatakse nad fermioonideks. Kvargiteooria rajajateks olid Gell-Mann ja Zweig, et võtta arvesse kõike, mida 1960. aastatel tunti. hadronid, tutvustasid kolme tüüpi (maitset) kvarke: ja (ülevalt - ülemine), d (alt - alumine) ja s (veidrast - imelik).
1 Mõiste “kvark” valiti täiesti meelevaldselt. J. Joyce'i romaanis "Finnegans Wake" näeb kangelane und, kus üle tormise mere kihutavad kajakad karjuvad terava häälega: "Hr Markile kolm kvarki!" Selline lähenemine vastab täielikult kaasaegsete füüsikateooriate mõistete äärmiselt abstraktsele olemusele.
Lisaks on igal kvargil elektrilaengu analoog, mis toimib gluoonvälja allikana. Seda nimetati värviks. Kui elektromagnetvälja tekitab ainult ühte tüüpi laeng, siis keerukama gluoonvälja tekitavad kolm erinevat värvi laengut. Iga kvark on "värviline" ühes kolmest võimalikud värvid, mida (üsna meelevaldselt) nimetati punaseks, roheliseks ja siniseks. Ja vastavalt sellele on antikvargid anti-punased, anti-rohelised ja anti-sinised.
1 Nagu termini “kvark” puhul, valitakse ka termin “värv” siin meelevaldselt ja sellel pole tavavärviga midagi pistmist.
Kvargid võivad omavahel kombineerida kahel võimalikul viisil: kas kolmikutena või kvarkide-antikvarkide paaridena. Suhteliselt rasked osakesed – barüonid – koosnevad kolmest kvargist; Kõige kuulsamad barüonid on neutronid ja prootonid. Näiteks prooton koosneb kahest u-kvargist ja ühest d-kvargist (uud) ning neutron kahest d-kvargist ja ühest u-kvargist (udd). Kergemad kvark-antikvark paarid moodustavad osakesi, mida nimetatakse mesoniteks. Näiteks positiivne pi-meson koosneb u-kvargist ja d¯-kvargist ning negatiivne pi-meson u-kvargist ja d-kvargist. Selle kvarkide “kolmiku” lagunemise vältimiseks on vaja hoidejõudu, omamoodi “liimi”. Ja kvarkide “värvilaenguid” kompenseeritakse kollektiivselt, nii et selle tulemusena muutuvad hadronid “valgeteks” (või värvituteks).
Selgus, et neutronite ja prootonite vastastikmõju tuumas on kvarkide endi vahelise võimsama interaktsiooni jääkefekt. See selgitas, miks tugev jõud tundus nii keeruline ja miks vabu kvarke ei leitud. Kui prooton "kleepub" neutroni või mõne teise prootoni külge, hõlmab interaktsioon kuut kvarki, millest igaüks interakteerub kõigi teistega. Märkimisväärne osa energiast kulub kvarkide kolmiku tugevale “kleepimisele” ja väike osa kahe kvarkitrio üksteise külge kinnitamisele.
Asjaolu, et kõiki teadaolevaid hadroneid oli võimalik saada kolme põhiosakese erinevatest kombinatsioonidest, oli kvarkide teooria võidukäik. Kuid 1970. aastatel. Avastati uusi hadroneid (psi osakesed, upsiloni meson jne). See andis kvarkide teooria esimesele versioonile tugeva löögi, kuna selles ei olnud ruumi ühelegi uuele osakesele. Kõik võimalikud kombinatsioonid kvarkidest ja nende antikvarkidest on juba ammendatud. Probleem lahendati kolme uue maitse kasutuselevõtuga. Neid nimetati võluks (võlu) või koos; b (ilust - ilu või võlu) ja t (ülalt - ülevalt).
Seega hoitakse kvarke koos tugeva vastasmõju tulemusena. Viimaste kandjateks on gluoonid (värvilaengud). Kvarkide ja gluoonide vastasmõju uurivat osakestefüüsika valdkonda nimetatakse kvantkromodünaamikaks. Nii nagu kvantelektrodünaamika on elektromagnetilise vastastikmõju teooria, on kvantkromodünaamika tugeva interaktsiooni teooria (vt 10.3.4).
Praegu peab enamik füüsikuid kvarke tõeliselt elementaarseteks osakesteks – punktitaolisteks, jagamatuteks ja sisemise struktuurita. Selles suhtes meenutavad nad leptoneid ja pikka aega on eeldatud, et nende kahe erineva, kuid struktuurilt sarnase perekonna vahel peab olema sügav seos.
1 1969. aastal õnnestus saada otseseid füüsilisi tõendeid kvarkide olemasolu kohta katsete seerias elektronide (suure energiani kiirendatud) hajumise kohta prootonite poolt. Katse näitas, et elektronide hajumine toimus nii, nagu oleks elektronid tabanud pisikesi tahkeid inklusioone ja põrkasid neilt kõige uskumatumate nurkade all. Sellised prootonite sees olevad tahked kandmised on kvargid.
2 Tõsi, mõnedel füüsikutel (kuna kvarkide arv osutub liiga suureks) on kiusatus eeldada, et kvargid koosnevad veelgi väiksematest osakestest.
Seega 20. sajandi lõpus. tõenäolisem tõeliselt elementaarosakeste arv (arvestamata fundamentaalsete vastastikmõjude kandjaid) on 48: leptonid (6. 2) = 12 pluss kvarkid (b. 3). 2 = 36. Need 48 osakest on mateeria tõelised “ehituskivid”, maailma materiaalse korralduse alus.
10.3.3. Elektronõrga interaktsiooni teooria.
Mõõtevälja ja spontaanse sümmeetria katkemise mõisted. 1960. aastatel Loodusteaduses leidis aset silmapaistev sündmus: füüsikas ühendati kaks fundamentaalset interaktsiooni neljast üheks. Elektromagnetilised ja nõrgad vastasmõjud, mis näivad oma olemuselt väga erinevad, ilmnesid ühe elektrinõrga interaktsiooni variantidena. Pilt fundamentaalsetest interaktsioonidest on muutunud mõnevõrra lihtsamaks.
Elektronõrga interaktsiooni teooria selle lõplikul kujul lõid kaks iseseisvalt töötavat füüsikut - S. Weinberg ja A. Salam. Selle teooria lahutamatuks osaks on nõrga interaktsiooni teooria, mis töötati välja samaaegselt ja tihedas seoses elektronõrga interaktsiooni teooriaga.
Elektronõrga interaktsiooni teooria loomisel oli 20. sajandi teisel poolel sügav ja otsustav mõju elementaarosakeste füüsika arengule. Selle teooria põhiidee oli kirjeldada nõrka interaktsiooni gabariidivälja mõistega, mille võtmeks on sümmeetria mõiste. Siinkohal tuleb eriti märkida, et üks 20. sajandi teise poole füüsika põhiideed. on usk, et kõik vastasmõjud eksisteerivad ainult selleks, et säilitada looduses teatud abstraktsete sümmeetriate kogum. Kuid näib, mis on sümmeetrial pistmist põhiliste vastasmõjudega? Lõppude lõpuks tundub esmapilgul väide sellise seose olemasolu kohta kaugeleulatuv, spekulatiivne ja kunstlik. Vaatleme seda küsimust üksikasjalikumalt.
Esiteks, mida mõeldakse sümmeetria all? Üldtunnustatud seisukoht on, et objekt on sümmeetriline, kui see jääb muutumatuks pärast üht või teist teisendusoperatsiooni. Teisisõnu, väga üldises mõttes sümmeetria tähendab objekti struktuuri muutumatust selle teisenduste suhtes. Füüsikaga seoses tähendab see, et sümmeetria on muutumatus füüsiline süsteem(seda iseloomustavad seadused ja vastavad suurused) mõne konkreetse teisenduse kohta. (Näiteks elektriseadused on asendamise suhtes sümmeetrilised positiivsed laengud negatiivne ja vastupidi; ja suletud mehaanilised süsteemid on aja suhtes sümmeetrilised jne)
Sellest järeldub, et füüsikalise süsteemi oma olulistes omadustes määrab tema sümmeetriliste teisenduste hulk (rühm). Kui teisenduste rühm on seotud teatud ruumiga, mis on varustatud teisendustele vastava sümmeetrilise struktuuriga, siis saab objekti ennast kujutada sellise ruumi elemendina (kuna objekti teisendused on antud juhul ruumi teisendused) . Sel juhul taandub objekti sümmeetriate uurimine antud ruumi muutumatute omaduste uurimisele.
Matemaatiline vahend sümmeetriliste teisenduste analüüsimiseks on rühmateooria. Niisiis, lahendada konkreetsed ülesanded Kasutatakse järgmist lähenemist. Esiteks määrab võrrand mingi vektorruumi. Seejärel uuritakse sellise võrrandi muutumatute teisenduste rühma. Iga rühma elementi saab seostada mõne teisendusega vektorruum selle võrrandi lahendused. Rühma elementide vaheliste seoste tundmine ja selline teisendus võimaldab paljudel juhtudel leida võrrandile lahendusi. Ja see tähendab objekti tegelike sümmeetriliste omaduste olemasolu kindlaksmääramist, millega antud ruumi saab korreleerida.
1 Rühma all mõistetakse matemaatikas kõige üldisemas tähenduses mittetühja hulka, millel on defineeritud mingi binaarne algebraline tehe, defineeritakse selle hulga elementaarühik ja selle pöördelement. (Eelkõige on geomeetrias rühm kõigi ortogonaalsete (peegel)teisenduste kogum, mis ühendab kujundi iseendaga.) Grupiteooria kui iseseisev matemaatika valdkond kujunes aastal. 19. sajandi vahetus— XX sajandit (M.S. Lee jt), mis põhinevad 19. sajandil arenenud ideedel. lahendusteoorias algebralised võrrandid radikaalides (N. Abel, E. Galois), F. Kleini “Erlangeni programm”, arvuteooria (K. Gauss jt).
Väljateooria võrrandite sümmeetriate uurimisel oli oluline roll relativistliku kvantteooria kujunemisel. Kõige üldisemalt jagunevad sellised sümmeetriad välisteks, mis on seotud aegruumi omadustega, ja sisemisteks, mis on seotud elementaarosakeste omadustega. Välissümmeetria näiteks on kvantobjektide seaduste sümmeetria ruumilise inversiooni (P), aja pööramise (T) ja laengukonjugatsiooni (C) suhtes, st. osakeste asendamine vastava antiosakesega. Tõestati oluline “CPT teoreem”, mille kohaselt kvantväljateooria võrrandid ei muuda oma kuju, kui samaaegselt teostada järgmisi teisendusi:
keerutada osake antiosakesse, teostada ruumiline inversioon (osakese koordinaat r asendada -r-ga), aeg tagasi pöörata (t asendada -t-ga). Selle teoreemi üksikute rikkumiste eksperimentaalne avastamine nõrkade interaktsioonide korral on eelduseks ideele mikrokosmoses üldiselt sümmeetriate spontaanse katkemise võimalusest.
Kuid lisaks välistele on olemas ka sisemised sümmeetriad, mis on seotud osakeste endi omadustega, mitte aegruumi omadustega. Nagu me juba märkisime, iseloomustavad iga osakeste rühma eelkõige oma spetsiifilised säilivusseadused. Ja iga jäävusseadust peetakse väljavõrrandite teatud sisemise sümmeetria ilminguks. Teatud sisemiste sümmeetriate ühendamisega saab justkui läbi viia ülemineku ühe osakese omaduste kirjeldamiselt teise osakese omaduste kirjeldamisele. Seega, väljavõrrandites elektromagnetilisele ja nõrgale interaktsioonile omased säilivusseadused "välja lülitades" jõuame prootoni ja neuroni täieliku identifitseerimiseni, need muutuvad üksteisest eristamatuks.
Jäävusseadustele vastavate väljavõrrandite sisesümmeetriate hulgas on gabariidi sümmeetriatel eriline roll. Paar sõna gabariidi sümmeetria kohta üldiselt. Süsteemil on gabariidi sümmeetria, kui selle olulised omadused jäävad muutumatuks, kui mõne füüsikalise suuruse tase, skaala või väärtus muutub. Näiteks füüsikas sõltub töö kõrguste erinevustest, mitte absoluutkõrgustest; pinge - potentsiaalide erinevusest, mitte nende absoluutväärtustest jne.
Mõõdiku sümmeetria teisendused võivad olla globaalsed või lokaalsed. Globaalsed transformatsioonid muudavad süsteemi tervikuna, kogu selle ajaruumilises mahus. Kvantfüüsikas väljendub see selles, et kõigis aegruumi punktides muutuvad lainefunktsiooni väärtused samamoodi. Kohaliku gabariidi teisendused on teisendused, mis erinevad punktiti. Sel juhul lainefunktsioon igas punktis iseloomustab oma erifaas, mis vastab konkreetsele osakesele.
Analüüs näitas, et kvantväljateoorias saab globaalse gabariidi teisenduse muuta lokaalseks. Sel juhul esineb liikumisvõrrandites tingimata termin, mis arvestab osakeste vastasmõju. See tähendab, et igas ruumipunktis suhtlemiseks ja sümmeetria säilitamiseks on vaja uusi jõuvälju – mõõtevälju. Teisisõnu eeldab gabariidi sümmeetria vektori mõõteväljade olemasolu, mille kvante osakesed vahetavad, realiseerides seda interaktsiooni. Seega võib jõuvälju käsitleda kui vahendit, millega looduses luuakse loodusele omaseid lokaalseid gabariidisümmeetriaid. Gabariidi sümmeetria kontseptsiooni olulisus seisneb selles, et selle alusel modelleeritakse teoreetiliselt kõik neli fundamentaalset vastastikmõju, mida peetakse gabariidiväljadeks.
Elektromagnetismil on kõige lihtsam sümmeetria. Teisisõnu, elektromagnetväli ei ole lihtsalt teatud tüüpi looduses eksisteeriv jõuväli, vaid kõige lihtsama (põhimõtetega ühilduva) ilming. eriline teooria relatiivsusteooria) gabariidi sümmeetria, milles gabariidi teisendused vastavad potentsiaali muutustele punktist punkti.
Elektromagnetismi õpetus on sajandite jooksul arenenud põhjaliku empiirilise uurimistöö põhjal, kuid selgub, et nende uuringute tulemusi on võimalik tuletada puhtteoreetiliselt, tuginedes vaid kahe sümmeetria teadmisele – kõige lihtsama lokaalgabariidi sümmeetria ja nn. Erirelatiivsusteooria Lorentz-Poincaré sümmeetria. Ainuüksi nende kahe sümmeetria olemasolu põhjal, ilma ainsatki elektri- ja magnetismikatset läbi viimata, saab konstrueerida Maxwelli võrrandid, tuletada kõik elektromagnetismi seadused, tõestada raadiolainete olemasolu, dünamo loomise võimalust jne.
Nõrga interaktsioonivälja kujutamiseks gabariidiväljana oli kõigepealt vaja kindlaks teha vastava gabariidi sümmeetria täpne vorm. Fakt on see, et nõrga vastasmõju sümmeetria on palju keerulisem kui elektromagnetilise interaktsiooni sümmeetria, kuna nõrk vastastikmõju ise on keerulisem. Seda illustreerivad mitmed asjaolud. Seega hõlmavad nõrgad vastasmõjud sageli vähemalt nelja erinevat tüüpi osakesi (neutroni lagunemisel näiteks neutron, prooton, elektron ja neutriino). Lisaks põhjustab nõrkade jõudude toime nende olemuse muutumist (mõned osakesed muutuvad nõrga vastasmõju tõttu teisteks). Vastupidi, elektromagnetiline interaktsioon ei muuda selles osalevate osakeste olemust.
Selgus, et nõrga vastasmõju sümmeetria säilitamiseks on vaja kolme uut jõuvälja, erinevalt ühest elektromagnetväljast. See tähendab, et peab olema kolm uut tüüpi osakesi – vastastikmõju kandjaid, iga välja jaoks üks. Neid nimetatakse spin-1 raskete vektorbosoniteks ja need on nõrga jõu kandjad. W+ ja W- osakesed on kahe nõrga interaktsiooniga seotud välja kolmest kandjad. Kolmas väli vastab elektriliselt neutraalsele kandeosakesele, mida nimetatakse Z° osakeseks. Z° osakese olemasolu tähendab, et nõrga vastasmõjuga ei pruugi kaasneda elektrilaengu ülekannet.
Spontaanse sümmeetria katkemise kontseptsioon mängis elektronõrga interaktsiooni teooria loomisel võtmerolli. Mõned füüsikalised süsteemid, millel on teatud sümmeetria, võivad selle kaotada juhtudel, kui sümmeetriline olek on energeetiliselt ebasoodne (sellel puudub minimaalne energia) ja energeetiliselt soodne olek ei oma algset sümmeetriat ja on mitmetähenduslik. See mitmetähenduslikkus väljendub matemaatiliselt selles, et antud füüsikalise süsteemi liikumisvõrrandit ei esinda mitte üks lahendus, vaid rida lahendeid, millel puudub algne sümmeetria. Lõpuks rakendatakse sellest lahenduste seeriast üks. Lõppude lõpuks ei pea igal probleemilahendusel olema kõik algse taseme omadused. Ja seetõttu võivad osakesed, mis on madalal ja suurel energial täiesti erinevad, osutuda tegelikult üheks ja samaks osakeseks, kuid asuvad erinevad osariigid. Seega Weinbergi ja Salami idee spontaansest sümmeetriast, mis purustab ühtse elektromagnetismi ja nõrga jõu ühtseks mõõtevälja teooriaks.
Weinberg-Salami teooria esitab ainult neli välja: elektromagnetiline ja kolm välja, mis vastavad nõrgale interaktsioonile. Selles teoorias on footonitel ja rasketel vektorbosonitel (W± ja Z°) ühine päritolu ja nad on üksteisega tihedalt seotud. Lisaks püsiv üleriigiline
See on skalaarväli (nn Higgsi väli), millega footonid ja vektorbosonid interakteeruvad erinevalt, mis määrab nende masside erinevuse. Skalaarvälja kvantid on massiivsed nullspinniga elementaarosakesed. Neid kutsutakse Higgsideks (nimetatud füüsik P. Higgsi järgi, kes soovitas nende olemasolu). Selliste Higgsi bosonite arv võib ulatuda mitmekümneni.
1 Hiljuti teatati Higgsi bosonite eksperimentaalsest tuvastamisest. Selle katse tulemusi kontrollitakse praegu.
Miks on elektromagnetilisel ja nõrgal vastastikmõjul nii erinevad omadused? Weinberg-Salami teooria selgitab neid erinevusi sümmeetria purustamisega. Kui sümmeetriat ei rikutaks, oleksid mõlemad vastasmõjud suurusjärgus võrreldavad. Algselt pole W- ja Z-kvantidel massi, kuid sümmeetria purunemise tõttu ühinevad mõned Higgsi osakesed W- ja Z-osakestega, andes neile massi. Kuid footon ei osale selles Higgsi osakestega ühinemise protsessis ja seetõttu puudub tal ka puhkemass. Sümmeetria katkestamine toob kaasa nõrga interaktsiooni järsu vähenemise, kuna see on otseselt seotud W ja Z osakeste massidega. Võime öelda, et nõrk interaktsioon on nii väike, kuna W ja Z osakesed on väga massiivsed.
Leptonid lähenevad harva nii väikestele vahemaadele (r = 10-18 m), kus raskete vektorbosonite vahetus on võimalik. Kuid suure energia korral (üle 100 GeV), kui W- ja Z-osakesi saab vabalt toota, on W- ja Z-bosonite vahetus sama lihtne kui footonite (massivabade osakeste) vahetus, erinevus footonite ja bosonite vahel on kustutatud. Nendes tingimustes peaks elektromagnetilise ja nõrga interaktsiooni vahel olema täielik sümmeetria – elektronõrk interaktsioon.
Kõige veenvam eksperimentaalne kontrollimine Uus teooria pidi kinnitama hüpoteetiliste W- ja Z-osakeste olemasolu. Nende avastamine 1983. aastal sai võimalikuks alles väga võimsate kiirendite loomisega uusim tüüp ja tähendas Weinberg-Salami teooria võidukäiku. On veenvalt tõestatud, et elektromagnetiline ja nõrk jõud on ühe elektronõrga jõu kaks komponenti.
1979. aastal pälvisid S. Weinberg, A. Salam ja S. Glashow Nobeli preemia elektronõrga interaktsiooni teooria loomise eest.
10.3.4. Kvantkromodünaamika.
Järgmine samm fundamentaalsete interaktsioonide mõistmise teel on tugeva interaktsiooni teooria loomine. Selleks on vaja anda tugevale interaktsioonile mõõtevälja tunnused. Viimast saab kujutada gluoonide vahetuse tulemusena, mis tagab kvarkide (paaris või kolmikutes) ühendamise hadroniteks (vt 10.3.2). Gluoonide vahetus muudab kvarkide “värvi”, kuid jätab muutmata muud omadused, s.t. säilitab nende mitmekesisuse (“aroom”).
Tugeva interaktsiooni teooria loodi sama skeemi järgi nagu nõrga interaktsiooni teooria. Kohaliku gabariidi sümmeetria nõue (st invariantsus "värvi" muutuste suhtes igas ruumipunktis) toob kaasa vajaduse kehtestada kompenseerivad jõuväljad. Kokku on vaja kaheksat uut kompenseerivat jõuvälja. Nende väljade kandeosakesed on gluoonid. Seega eeldab teooria, et gluuone peab olema kuni kaheksa erinevat tüüpi.
Nagu footonitel, on ka gluoonidel nullmass ja spinn 1. Samuti on gluoonidel erinevaid värve, kuid mitte puhas, vaid segatud; gluoonid koosnevad "värvist" ja "antivärvist" (näiteks sinine-anti-roheline). Seetõttu kaasneb gluooni emissiooni või neeldumisega kvargi värvuse muutumine (“värvide mäng”). Näiteks punane kvark, mis kaotab punase anti-sinise gluooni, muutub siniseks kvargiks ja roheline kvark, mis neelab sinist anti-rohelist glükooni, muutub siniseks kvargiks.
Kvantkromodünaamika (kvantvärviteooria) seisukohalt pole tugev interaktsioon midagi muud kui soov säilitada teatud abstraktne looduse sümmeetria: kõigi hadronite valge värvuse säilitamine nende värvi muutumisel. komponendid- kvargid. Näiteks prootonis vahetavad kolm kvarki pidevalt gluoone, muutes nende värvi. Siiski, et
Need muutused ei ole olemuselt meelevaldsed, vaid alluvad rangele reeglile: igal ajahetkel peab kolme kvargi “kogu” värv olema valge hele, s.t. summa "punane + roheline + sinine". See kehtib ka mesonite kohta, mis koosnevad kvark-antikvark paarist. Kuna antikvarkile on iseloomulik antivärv, on selline kombinatsioon ilmselgelt värvitu (“valge”), näiteks punane kvark koos antipunase kvargiga moodustab värvitu (“valge”) mesoni.
1 Leptonid, footonid ja vahepealsed bosonid (W- ja Z-osakesed) ei kanna värvi ega osale seetõttu tugevas vastasmõjus).
Kvantkromodünaamika selgitab suurepäraselt reegleid, millele kõik kvarkide kombinatsioonid järgivad, gluoonide vastastikmõju (gluoon võib laguneda kaheks gluooniks või kaks gluooni ühineda üheks – seepärast ilmuvad gluoonivälja võrrandisse mittelineaarsed terminid), kvargid ja gluoonid nagu QED (virtuaalsete gluoonide ja kvark-antikvargipaaride pilvedega kaetud kvargid), pilvedesse “riidetud” kvarkidest koosneva hadroni keeruline struktuur jne.
Võib olla ennatlik hinnata kvantkromodünaamikat tugeva interaktsiooni lõpliku ja täieliku teooriana, kuid selle eksperimentaalne staatus on üsna tugev ja selle saavutused paljulubavad.
10.3.5. Teel Suure ühinemise poole.
Kvantkromodünaamika loomisega tekkis lootus kõigi (või vähemalt kolme neljast) fundamentaalsete interaktsioonide ühtse teooria konstrueerimiseks. Mudeleid, mis kirjeldavad ühtselt neljast põhiinteraktsioonist kolme (tugevat, nõrka, elektromagnetilist) ühtselt, nimetatakse Grand Unified mudeliteks.
Soovitati nõrkade ja elektromagnetiliste interaktsioonide eduka kombineerimise kogemust, mis põhineb gabariidiväljade ideel võimalikud viisid füüsika ühtsuse printsiibi edasiarendamine, füüsikaliste fundamentaalsete vastastikmõjude ühtlustamine. Üks neist põhineb hämmastav fakt, et elektrinõrga ja tugeva interaktsiooni interaktsioonikonstandid väikestele vahemaadele (st kõrgetele energiatele) üleminekul muutuvad sama energia juures üksteisega võrdseks. Seda energiat nimetati ühendamise energiaks. See on ligikaudu 1014-1016 GeV; see vastab kaugusele = 10-29 cm.
Energiatel üle 1014-1016 GeV või kaugustel alla 10-29 cm kirjeldatakse tugevat, nõrka ja elektromagnetilist vastasmõju ühe konstandiga, s.o. neil on ühine olemus. Kvargid ja leptonid on siin praktiliselt eristamatud ning gluoonid, footonid ja vektorbosonid W± ja Z° on ühe gabariidi sümmeetriaga mõõtväljade kvantid. Lõppude lõpuks, kui elektrinõrk ja tugev vastastikmõju on tegelikult vaid Suure ühtse vastasmõju kaks poolt, siis peab ka viimane vastama mõnega mõõteväljale. kompleksne sümmeetria. See peab olema piisavalt üldine, et hõlmata kõiki mõõtu sümmeetriaid, mis sisalduvad nii kvantkromodünaamikas kui ka elektronõrga interaktsiooni teoorias. Samal ajal peaks selle spontaanne lagunemine viima elektrinõrga ja tugeva interaktsiooni eraldumiseni. Sellise sümmeetria leidmine on peamine ülesanne elektronõrga ja tugeva interaktsiooni ühtse teooria loomisel.
On erinevaid lähenemisviise, mis annavad alust Grand Unified teooriate konkureerivatele versioonidele. Kõigil neil Suure ühinemise hüpoteetilistel versioonidel on aga mitmeid ühiseid jooni. Esiteks on kõigis hüpoteesides kvargid ja leptonid - elektrinõrkuse ja tugeva interaktsiooni kandjad - ühte teoreetilisesse skeemi. Seni on neid peetud täiesti erinevateks objektideks. Teiseks viib abstraktsete gabariidisümmeetriate kasutamine uut tüüpi väljade avastamiseni, millel on uued omadused, näiteks võime muuta kvarke leptoniteks.
Grand Unified teooria kõige lihtsamas versioonis on kvarkide leptoniteks muutmiseks vaja 24 välja ja nende väljade kvantidest on 12 juba teada: footon, kaks W osakest, Z° osake ja kaheksa gluooni. Ülejäänud 12 kvanti on kombineeritud uued ülirasked vahepealsed bosonid üldnimetus X- ja Y-osakesed (omades värvi ja elektrilaengut). Need kvantid vastavad väljadele, mis säilitavad laiema gabariidi sümmeetria ja segavad kvarke leptonitega. Järelikult võivad X- ja Y-osakesed muuta kvarke leptoniteks (ja vastupidi).
X- ja Y-bosonite otsesest eksperimentaalsest tuvastamisest veel ei räägita. Lõppude lõpuks käsitlevad Grand Unified teooriad osakeste energiat üle 1014 GeV. See on väga kõrge energiaga. Raske on öelda, millal on võimalik kiirendusel saada nii suure energiaga osakesi.
jaemüüjad. Lähitulevikus seda võimalust ette nähtud ei ole. Kaasaegsed kiirendid näevad vaeva 100 GeV saavutamiseks. Ja seetõttu on Suure ühendamise teooriate testimise peamine valdkond selle tagajärjed (kosmoloogiale ja madala energiatarbega piirkondadele). Seega on ilma Grand Unification teooriateta võimatu kirjeldada Universumi evolutsiooni varajast etappi, mil primaarse plasma temperatuur saavutas 10 27 K. Just sellistes tingimustes sai luua ja hävitada ülirasked X- ja Y-bosonid.
Lisaks ennustatakse Grand Unified teooriatele tuginedes madala energiatarbega piirkondades kahte olulist mustrit, mida saab katseliselt testida. Esiteks peaksid kvark-leptoni üleminekud põhjustama prootonite lagunemist. See tähendab, et see on ebastabiilne: prootoni eluiga peaks olema ligikaudu 1031 aastat. Teiseks on nende teooriate vältimatuks tagajärjeks magnetilise monopooluse olemasolu – stabiilne ja väga raske (108 prootonmassiga) osake, mis kannab üht magnetpoolust. Prootonite lagunemise ja magnetiliste monopoolide eksperimentaalne tuvastamine võib anda tugeva argumendi Grand Unified teooriate kasuks. Eksperimentaalsed jõupingutused on suunatud nende ennustuste kontrollimisele. Prootoni lagunemise avastamine on suurim füüsiline eksperiment XXI sajand! Kuid selles küsimuses pole veel kindlalt kinnitatud andmeid.
10.3.6. Supergravitatsioon.
Kuid neljast fundamentaalsest koostoimest kolme ühendamine ei ole veel ühtne teooria igas mõttes sõnad. Lõppude lõpuks jääb gravitatsioon ikkagi alles. Teoreetilised skeemid, mille raames on ühendatud kõik teadaolevad vastastikmõjud (tugev, nõrk, elektromagnetiline ja gravitatsiooniline), nimetatakse supergravitatsioonimudeliteks. Kõiki nelja interaktsiooni (supergravitatsiooni) ühendavad teoreetilised mudelid põhinevad supersümmeetria ideel, s.o. selline üleminek globaalselt gabariidi sümmeetrialt lokaalsele, mis võimaldaks üleminekut fermionidelt (aine substraadi kandjad) bosonitele (aine struktuuri kandjad, vastastikmõjude kandjad) ja vastupidi.
Seetõttu on supergravitatsioon teooria mitte ainult kõigi fundamentaalsete interaktsioonide kandjate, vaid ka ainet moodustavate osakeste (kvarkide ja leptonite) kohta. Üligravitatsioonis on nad kõik ühendatud üheks aineteooriaks (aine ja väli). Üks neist teoreetilised mudelid toob kokku 70 osakest spinniga 0; 56 osakest spinniga 1/2; 28 osakest spinniga 1; 8 osakest spinniga 3/2 (neid nimetati gravitinoks) ja 1 osakest spinniga 2 (graviton). Kõik need osakesed tekkisid meie universumi esimestel hetkedel.
Supergravitatsioon on kulminatsioon teoreetiline füüsika, see väga üldine ja abstraktne teooria, mis kroonib pikka ja intensiivset ning sageli dramaatilist füüsika ühtsuse otsingut. Supersümmeetria tasandil on vaja põhjendada gabariidiväljade abstraktseid sümmeetriaid. Teisisõnu, taas tekib vajadus põhjendada füüsikat geomeetriaga (vt 9.2.3), eelkõige kujutada gabariidivälju kui geomeetrilised sümmeetriad, mis on seotud ruumi lisamõõtmetega. See tõi kaasa ideede elavnemise meie maailma mitmemõõtmelisuse kohta.
Tekkimas on supersümmeetria mudelid, milles meie maailma vaadeldakse 11-mõõtmelise (või 10-mõõtmelise või isegi 26-mõõtmelise) aegruumina. 11 dimensioonist ilmuvad meie maailma ainult neli ja ülejäänud 7 jäävad keerdu ja suletuks. Need " varjatud mõõtmed" eksisteerivad skaalal r = 10-33 cm. Selliste skaalade läbimiseks on vaja energiat, mis on võrreldav kogu meie galaktika energiaga! Muidugi on inimkonna jaoks ebarealistlikud projektid, mille eesmärk on lähitulevikus meie maailma nii väikestesse piirkondadesse tungida. (Võib-olla on need põhimõtteliselt ebareaalsed.)
Supergravitatsiooniprogrammi vaieldamatu eelis ja tõendusmaterjal on see, et selle mõjul on tekkinud uus lähenemisviis fundamentaalsete interaktsioonide ühendamiseks - superstringiteooria. Selles teoorias käsitletakse osakest kui stringi – hajutatud parameetritega võnkesüsteemi. Madala energia korral käitub string nagu osake ja suure energia korral tuleb stringi liikumise kirjeldusse sisestada selle vibratsiooni iseloomustavad parameetrid. Superstringiteooria matemaatiline pool osutub lihtsamaks kui tavateoorias: soovimatud lõpmatused kaovad. Superstringiteooria üks olulisi kosmoloogilisi tagajärgi on paljude universumite võimalikkus, millest igaühel on oma põhiliste vastastikmõjude kogum.
Niisiis, võtame mõned tulemused kokku. Põhimõtteliste interaktsioonide ühendamine algas sisuliselt 19. sajandil. elektri ja magnetismi sünteesist Maxwelli elektromagnetvälja teoorias. A. Einsteini katsed sünteesida gravitatsiooni ja elektromagnetismi “ühendvälja teoorias” ebaõnnestusid. Kuid nõrkade ja elektromagnetiliste vastastikmõjude teoreetiline ühendamine sai 1983. aastal usaldusväärse kinnituse tänu W- ja Z-bosonite eksperimentaalsele tuvastamisele. Puuduvad kindlad tõendid, mis kinnitaksid suurt ühinemist (prootoni lagunemine, magnetilise monopooluse olemasolu), kuid need on eeldatavad. Supergravitatsiooni programm - särav eeskuju kuidas teooria võib oluliselt ületada praktikat, kogemusi ja eksperimentaalseid võimalusi. Kuid isegi siin võime oodata supergravitatsioonimudelite kaudseid empiirilisi põhjendusi ekstragalaktilise astronoomia, astrofüüsika ja kosmoloogia andmete põhjal. Seega on füüsika ühtse mateeriateooria loomise lävel, s.t. kõik põhilised vastasmõjud (väljad) ja aine struktuur. Võimalik, et juba 21. sajandi esimesel poolel. see suurim ülesanne kogu teaduse ajaloos saab lahendatud. Teatud mõttes tähendab see lõppu füüsiline teadus kui teadmised mateeria aluspõhimõtetest.
Tõsi, sellel teel on veel palju tõsiseid probleeme, mida lahendada. Seega peame kontrollima mitmete elementaarosakeste olemasolu, mida tänapäeva teooria ennustab (peamiselt Higgsi bosonid). Lisaks tuleb luua gravitatsiooni kvantteooria, ilma milleta on supersümmeetriaprogrammi rakendamine võimatu. Ilmselt on ainult gravitatsiooni kvantteooria loomisega võimalik vastata järgmistele küsimustele: miks on meie ruum kolmemõõtmeline ja aeg ühemõõtmeline? Miks on ainult neli põhilist vastasmõju ja täpselt need, mis meil on? Miks on meile antud just see elementaarosakeste komplekt? Kuidas määratakse elementaarosakeste mass? Miks on maailmakonstantidel just need väärtused ja mitte teistel? Miks eksisteerib looduses elementaarne elektrilaeng ja millest sõltub selle suurus? Miks on neutriino mass nii väike? ja jne.
Nende probleemide lahendamisel sõltub palju elementaarosakeste füüsika valdkonna katsete võimalustest. Kokkupõrke energiat annavad voolukiirendid (põrked), milles põrkuvad üksteise poole kiirendavad elementaarosakeste (elektronid, prootonid jne) klastrid.
osakesed umbes 200 GeV. Arutatakse kiirendite projekte, mis suurendavad seda energiat 2-3 suurusjärku. Kuid siinsed tehnilised võimalused pole piiramatud. Energia suurendamine eeldab tugevate energiaväljade loomist. Ja sellel on piir, sest see on väga tugevad väljad hävitab mis tahes aine aatomid; see tähendab, et sellisel väljal hävitab gaasipedaal end ise! Praegu arutatakse projekte nanotehnoloogiat kasutavate kiirendite loomiseks, mis võimaldavad kiiresti regenereerida tugeva elektromagnetvälja mõjul hävitatud materjalirakke. Sellise programmi rakendamine, kui see üldse võimalik on, on väga kauge tuleviku küsimus. Tõsi, säilib võimalus uurida suure energiaga kosmilisi kiiri (neutriinovood, gravitonid jne). Selleks peate õppima, kuidas neid enesekindlalt registreerida. Siiski ei saa välistada ka teisi võimalusi 21. sajandi füüsika arenguks. Teadus peab alati olema revolutsioonilisteks pööreteks valmis. Ja seetõttu võib näiteks uute fundamentaalsete interaktsioonide, alamkvarkide osakeste jms avastamine nõuda kaasaegse (relativistliku ja kvant)füüsika radikaalset revideerimist, tõstes päevakorda põhimõtteliselt “uue füüsika” loomise küsimuse. Piirkond, kus Mikromaailm osutub seotuks Megamaailmaga, üliväike ülisuurega, elementaarosake universumi kui tervikuga, füüsika koos astronoomiaga toob füüsilise maailma teadmistesse palju ebatavalist ja ootamatut.
.
Et mõista, kas tasub jätkata lühikeste visandite kirjutamist, mis sõna otseses mõttes seletavad erinevat füüsikalised nähtused ja protsessid. Tulemus hajutas mu kahtlused. ma jätkan. Kuid selleks, et läheneda üsna keerukatele nähtustele, peate tegema eraldi järjestikused postitused. Niisiis, selleks, et jõuda looni Päikese ja muud tüüpi tähtede struktuurist ja arengust, peate alustama elementaarosakeste vahelise interaktsiooni tüüpide kirjeldusega. Alustame sellest. Ei mingeid valemeid.
Kokku on füüsikas teada nelja tüüpi interaktsiooni. Kõik on hästi tuntud gravitatsiooniline Ja elektromagnetiline. Ja laiemale avalikkusele peaaegu tundmatu tugev Ja nõrk. Kirjeldame neid järjestikku.
Gravitatsiooniline interaktsioon
.
Inimesed on seda teadnud iidsetest aegadest. Sest see on pidevalt Maa gravitatsiooniväljas. Ja alates koolifüüsika teame, et kehadevahelise gravitatsioonilise vastasmõju jõud on võrdeline nende masside korrutisega ja pöördvõrdeline nendevahelise kauguse ruuduga. Gravitatsioonijõu mõjul tiirleb Kuu ümber Maa, Maa ja teised planeedid tiirlevad ümber Päikese ning viimased koos teiste tähtedega ümber meie Galaktika keskpunkti.
Gravitatsioonilise interaktsiooni tugevuse üsna aeglane vähenemine kaugusega (pöördvõrdeline kauguse ruuduga) sunnib füüsikuid rääkima sellest interaktsioonist kui pikamaa. Lisaks on kehade vahel mõjuvad gravitatsioonilised vastasmõjujõud ainult tõmbejõud.
Elektromagnetiline interaktsioon
.
Kõige lihtsamal elektrostaatilise vastasmõju korral, nagu me teame koolifüüsikast, on elektriliselt laetud osakeste tõmbe- või tõukejõud võrdeline nende elektrilaengute korrutisega ja pöördvõrdeline nendevahelise kauguse ruuduga. Mis on väga sarnane gravitatsioonilise vastastikmõju seadusega. Ainus erinevus seisneb selles, et sama märgiga elektrilaengud tõrjuvad ja erineva märgiga elektrilaengud tõmbavad. Seetõttu nimetavad füüsikud elektromagnetilist interaktsiooni, nagu ka gravitatsioonilist vastastikmõju pikamaa.
Samal ajal on elektromagnetiline vastastikmõju keerulisem kui gravitatsiooniline vastastikmõju. Koolifüüsikast teame, et elektrivälja tekitavad elektrilaengud, magnetlaenguid looduses ei eksisteeri, aga magnetväli tekib elektrivoolud.
Tegelikult saab elektrivälja tekitada ka ajas muutuv magnetväli ja magnetvälja võib tekitada ka ajas muutuv magnetväli elektriväli. Viimane asjaolu võimaldab eksisteerida elektromagnetväli ilma igasuguste elektrilaengute või vooludeta. Ja see võimalus realiseerub elektromagnetlainete kujul. Näiteks raadiolained ja valguskvandid.
Kuna elektrilised ja gravitatsioonijõud sõltuvad võrdselt kaugusest, on loomulik proovida nende intensiivsust võrrelda. Niisiis, kahe jõu prootoni jaoks gravitatsiooniline külgetõmme osutuvad 10 kuni 36 korda (miljard miljardit miljardit korda) nõrgemaks kui elektrostaatilised tõukejõud. Seetõttu võib mikromaailma füüsikas gravitatsioonilise vastastikmõju üsna mõistlikult tähelepanuta jätta.
Tugev interaktsioon
.
see - lühimaa tugevus. Selles mõttes, et nad toimivad ainult umbes ühe femtomeetri (triljondik millimeetri) kaugusel ja suurte vahemaade korral pole nende mõju praktiliselt tunda. Veelgi enam, ühe femtomeetri suurusjärgus kaugustel on tugev interaktsioon umbes sada korda intensiivsem kui elektromagnetiline.
Seetõttu ei tõrju aatomituumas võrdselt elektriliselt laetud prootoneid üksteisest eemale elektrostaatilised jõud, vaid neid hoiavad koos tugev vastastikmõju. Sest prootoni ja neutroni mõõtmed on umbes üks femtomeeter.
Nõrk interaktsioon
.
See on tõesti väga nõrk. Esiteks, see töötab tuhandeid kordi väiksematel vahemaadel kui üks femtomeeter. Ja pikkadel vahemaadel pole seda praktiliselt tunda. Seetõttu, nagu tugev, kuulub see klassi lühimaa. Teiseks on selle intensiivsus ligikaudu sada miljardit korda väiksem kui elektromagnetilise interaktsiooni intensiivsus. Nõrk jõud on vastutav mõne elementaarosakeste lagunemise eest. Kaasa arvatud vabad neutronid.
On ainult ühte tüüpi osakesi, mis suhtlevad ainega ainult nõrga interaktsiooni kaudu. See on neutriino. Igas sekundis läbib meie naha iga ruutsentimeetri peaaegu sada miljardit päikeseneutriinot. Ja me ei pane neid üldse tähele. Selles mõttes, et meie elu jooksul on ebatõenäoline, et mõned neutriinod meie keha ainega suhtlevad.
Me ei räägi teooriatest, mis kirjeldavad kõiki seda tüüpi interaktsioone. Sest meie jaoks on oluline kvaliteetne pilt maailmast, mitte teoreetikute naudingud.
Inimene on pikka aega püüdnud tundma õppida ja mõista teda ümbritsevat füüsilist maailma. Selgub, et kogu meie maailmas toimuvate füüsikaliste protsesside lõpmatu mitmekesisus on seletatav väga väikese arvu fundamentaalsete interaktsioonide olemasoluga looduses. Nende omavaheline suhtlus selgitab taevakehade korrapärast paigutust Universumis. Need on "elemendid", mis liigutavad taevakehasid, genereerivad valgust ja muudavad elu enda võimalikuks (vt. Rakendus
).
Seega toimuvad kõik looduses toimuvad protsessid ja nähtused, olgu selleks õuna kukkumine, supernoova plahvatus, pingviini hüppamine või ainete radioaktiivne lagunemine, just nende vastastikmõjude tulemusena.
Nende kehade aine struktuur on stabiilne selle koostises olevate osakeste vaheliste sidemete tõttu.
1. INTERAKTSIOONIDE LIIGID
Hoolimata asjaolust, et aine sisaldab suurt hulka elementaarosakesi, on nende vahel ainult nelja tüüpi fundamentaalseid interaktsioone: gravitatsiooniline, nõrk, elektromagnetiline ja tugev.
Kõige põhjalikum on gravitatsiooniline
interaktsiooni
. Sellele alluvad eranditult kõik materiaalsed vastasmõjud – nii mikroosakesed kui ka makrokehad. See tähendab, et selles osalevad kõik elementaarosakesed. See avaldub universaalse gravitatsiooni kujul. Gravitatsioon
(ladina keelest Gravitas - raskustunne) juhib universumi kõige globaalsemaid protsesse, tagab eelkõige meie keha struktuuri ja stabiilsuse. Päikesesüsteem. Kaasaegsete kontseptsioonide kohaselt tekib iga vastastikmõju osakeste vahetuse tulemusena, mida nimetatakse selle interaktsiooni kandjateks. Gravitatsiooniline interaktsioon toimub vahetuse kaudu gravitonid
.
, nagu gravitatsiooniline, on oma olemuselt pikamaa: vastavad jõud võivad avalduda väga olulistel vahemaadel. Elektromagnetilist interaktsiooni kirjeldavad ühte tüüpi (elektrilised) laengud, kuid neil laengutel võib olla juba kaks märki - positiivne ja negatiivne. Erinevalt gravitatsioonist võivad elektromagnetilised jõud olla nii ligitõmbavad kui ka tõrjuvad jõud. See vastastikmõju määrab erinevate ainete, materjalide ja eluskoe enda füüsikalised ja keemilised omadused. Samuti toidab see kõiki elektri- ja elektroonikaseadmeid, s.t. ühendab omavahel ainult laetud osakesi. Elektromagnetilise interaktsiooni teooriat makrokosmoses nimetatakse klassikaliseks elektrodünaamikaks.
Nõrk interaktsioon
väljaspool vähem tuntud kitsas ring füüsikud ja astronoomid, kuid see ei vähenda kuidagi selle tähtsust. Piisab, kui öelda, et kui seda seal poleks, kustuks Päike ja teised tähed, sest nende kuma tagavates reaktsioonides mängib nõrk vastastikmõju väga suurt rolli. Nõrk vastastikmõju on lühimaa: selle raadius on ligikaudu 1000 korda väiksem kui tuumajõududel.
Tugev interaktsioon
– kõigist teistest võimsaim. See määratleb ühendused ainult hadronite vahel. Aatomituumas nukleonide vahel toimivad tuumajõud on seda tüüpi interaktsiooni ilming. See on umbes 100 korda tugevam kui elektromagnetiline energia. Erinevalt viimasest (ja ka gravitatsioonilisest) on see esiteks lühiulatusega kaugemal kui 10–15 m (tuuma suuruse järgi), vastavad jõud prootonite ja neutronite vahel, järsult vähenedes, lakkavad. et neid omavahel siduda. Teiseks saab seda rahuldavalt kirjeldada vaid kolme keerulisi kombinatsioone moodustava laengu (värvi) abil.
Tabelis 1 on ligikaudselt toodud põhirühmadesse (hadronid, leptonid, interaktsioonikandjad) kuuluvad olulisemad elementaarosakesed.
Tabel 1
Põhiliste elementaarosakeste osalemine vastastikmõjudes
Põhilise interaktsiooni kõige olulisem omadus on selle toime ulatus. Toimeraadius on maksimaalne osakeste vaheline kaugus, millest kaugemale võib nende vastastikmõju tähelepanuta jätta (Tabel 2). Väikeses raadiuses interaktsiooni nimetatakse lühitoimeline , suurte - pikamaa .
tabel 2
Põhiliste interaktsioonide peamised omadused
Tugev ja nõrk koostoime on lühiajaline . Nende intensiivsus väheneb kiiresti osakeste vahelise kauguse suurenedes. Sellised vastasmõjud toimuvad lühikese vahemaa tagant, mis ei ole meeltega tajutav. Sel põhjusel avastati need vastasmõjud hiljem kui teised (ainult 20. sajandil), kasutades kompleksi eksperimentaalsed rajatised. Elektromagnetiline ja gravitatsiooniline vastastikmõju on pikamaa . Sellised vastasmõjud vähenevad aeglaselt osakeste vahelise kauguse suurenedes ja neil ei ole piiratud toimevahemikku.
2. VASTAVUSKOHTUMINE AINETE STRUKTUURIDE SIDENA
Aatomituumas määrab prootonite ja neutronite vaheline side tugev interaktsioon . See tagab erakordse südamiku tugevuse, mis on aluseks aine stabiilsusele maapealsetes tingimustes.
Nõrk interaktsioon miljon korda vähem intensiivne kui tugev. See toimib enamiku elementaarosakeste vahel, mis asuvad üksteisest vähem kui 10–17 m kaugusel. Nõrk interaktsioon Määratakse kindlaks uraani radioaktiivne lagunemine ja termotuumasünteesi reaktsioonid Päikesel. Nagu teate, on Päikese kiirgus peamine eluallikas Maal.
Elektromagnetiline interaktsioon , olles pikamaa, määrab aine struktuuri väljaspool tugeva interaktsiooni ulatust. Elektromagnetiline jõud seob elektrone ja tuumasid aatomites ja molekulides. See ühendab aatomeid ja molekule erinevaid aineid, määrab keemilised ja bioloogilised protsessid. Seda vastasmõju iseloomustavad elastsus-, hõõrde-, viskoossus- ja magnetjõud. Eelkõige põhjustab lühikestel vahemaadel paiknevate molekulide elektromagnetiline tõrjumine maapinna reaktsioonijõu, mille tulemusena me näiteks läbi põranda ei kuku. Elektromagnetiline interaktsioon ei avalda olulist mõju makroskoopiliste kehade vastastikusele liikumisele suur mass, kuna iga keha on elektriliselt neutraalne, st. see sisaldab ligikaudu võrdsel arvul positiivseid ja negatiivseid laenguid.
Gravitatsiooniline interaktsioon otseselt võrdeline vastastikku interakteeruvate kehade massiga. Elementaarosakeste väikese massi tõttu on osakeste vaheline gravitatsiooniline vastastikmõju teiste vastastikmõju tüüpidega võrreldes väike, seetõttu on mikromaailma protsessides see vastastikmõju tähtsusetu. Kui vastastikmõjus olevate kehade mass suureneb (st nendes sisalduvate osakeste arvu suurenedes), suureneb gravitatsiooniline vastastikmõju kehade vahel otseselt võrdeliselt nende massiga. Sellega seoses saab makrokosmoses, kui arvestada planeetide, tähtede, galaktikate liikumist, aga ka väikeste makroskoopiliste kehade liikumist nende väljadel, gravitatsiooniline vastastikmõju. See hoiab atmosfääri, mered ja kõike Maal elavat ja elutut, Maa tiirleb ümber Päikese ja Päike galaktikas. Gravitatsiooniline interaktsioon mängib tähtede tekkes ja evolutsioonis suurt rolli. Elementaarosakeste fundamentaalseid vastastikmõjusid on kujutatud spetsiaalsete diagrammide abil, kus reaalne osake vastab sirgjoonele ja tema vastastikmõju teise osakesega on kujutatud kas punktiirjoone või kõveraga (joonis 1).
Elementaarosakeste vastastikmõjude skeemid
Põhiliste vastastikmõjude kaasaegseid füüsilisi kontseptsioone täiustatakse pidevalt. 1967. aastal Sheldon Glashow, Abdus Salam Ja Steven Weinberg lõi teooria, mille kohaselt elektromagnetiline ja nõrk vastastikmõju on ühe elektroonõrga interaktsiooni ilming. Kui kaugus elementaarosakesest on väiksem kui nõrkade jõudude toimeraadius (10–17 m), siis kaob erinevus elektromagnetilise ja nõrga vastastikmõju vahel. Seega vähendati fundamentaalsete interaktsioonide arvu kolmele.
"Suure ühinemise" teooria.
Mõned füüsikud, eriti G. Georgi ja S. Glashow, soovitasid, et üleminekul kõrgematele energiatele peaks toimuma teine ühinemine – elektrinõrga interaktsiooni ühendamine tugevaga. Vastavaid teoreetilisi skeeme nimetatakse "suure ühendamise" teooriaks. Ja seda teooriat katsetatakse praegu eksperimentaalselt. Selle teooria kohaselt, mis ühendab endas tugevad, nõrgad ja elektromagnetilised vastasmõjud, on ainult kahte tüüpi vastastikmõju: ühtne ja gravitatsiooniline. Võimalik, et kõik neli vastasmõju on ühe interaktsiooni vaid osalised ilmingud. Selliste eelduste eeldusi peetakse silmas, kui arutletakse Universumi tekketeooria üle (Suure Paugu teooria). teooria" Suur pauk” selgitab, kuidas mateeria ja energia koosmõjul sündisid tähed ja galaktikad.