ปฏิสัมพันธ์พื้นฐาน 1. ประเภทของปฏิสัมพันธ์พื้นฐานในวิชาฟิสิกส์

ความสามารถในการโต้ตอบเป็นคุณสมบัติที่สำคัญที่สุดและสำคัญของสสาร เป็นการโต้ตอบที่รับประกันการรวมวัตถุวัตถุต่าง ๆ ของเมกะ มาโคร และไมโครเวิลด์เข้าไว้ในระบบ มีชื่อเสียงกันทั้งนั้น วิทยาศาสตร์สมัยใหม่แรงจะลดลงเหลือปฏิกิริยาสี่ประเภทซึ่งเรียกว่าแรงพื้นฐาน: แรงโน้มถ่วง, แม่เหล็กไฟฟ้า, อ่อนและแรง

ปฏิสัมพันธ์ของแรงโน้มถ่วงกลายเป็นเป้าหมายของการศึกษาฟิสิกส์ครั้งแรกในศตวรรษที่ 17 I. ทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของนิวตันซึ่งมีพื้นฐานมาจากกฎหมาย แรงโน้มถ่วงสากลกลายเป็นหนึ่งในองค์ประกอบ กลศาสตร์คลาสสิก- กฎแรงโน้มถ่วงสากลระบุว่า: ระหว่างวัตถุทั้งสองมีแรงดึงดูดซึ่งเป็นสัดส่วนโดยตรงกับผลคูณของมวลและเป็นสัดส่วนผกผันกับกำลังสองของระยะห่างระหว่างวัตถุทั้งสอง (2.3) อนุภาควัตถุใดๆ ก็ตามเป็นแหล่งที่มาของอิทธิพลโน้มถ่วงและสัมผัสกับมันด้วยตัวมันเอง เมื่อมวลเพิ่มขึ้น ปฏิกิริยาระหว่างแรงโน้มถ่วงก็จะเพิ่มขึ้น กล่าวคือ ยิ่งมวลของสารที่มีปฏิกิริยากันมากขึ้น แรงโน้มถ่วงก็จะยิ่งแข็งแกร่งขึ้นเท่านั้น แรงโน้มถ่วงเป็นพลังแห่งแรงดึงดูด เมื่อเร็ว ๆ นี้นักฟิสิกส์ได้แนะนำการมีอยู่ของแรงผลักโน้มถ่วงซึ่งเกิดขึ้นในช่วงแรกของการดำรงอยู่ของจักรวาล (4.2) แต่แนวคิดนี้ยังไม่ได้รับการยืนยัน ปฏิกิริยาโน้มถ่วงเป็นจุดอ่อนที่สุดที่ทราบกันในปัจจุบัน แรงโน้มถ่วงกระทำต่ออย่างมาก ระยะทางไกลความเข้มของมันจะลดลงตามระยะทางที่เพิ่มขึ้นแต่ไม่ได้หายไปหมดสิ้น เชื่อกันว่าเป็นพาหะของปฏิกิริยาโน้มถ่วงนั่นเอง อนุภาคสมมุติกราวิตัน ในโลกใบเล็กๆ ปฏิสัมพันธ์ของแรงโน้มถ่วงไม่ได้มีบทบาทสำคัญ แต่ในกระบวนการมหภาคและโดยเฉพาะอย่างยิ่งในเมกะโปรเซสนั้น ปฏิสัมพันธ์นั้นมีบทบาทนำ

ปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้ากลายเป็นวิชาฟิสิกส์ของศตวรรษที่ 19 ทฤษฎีรวมแรกของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าคือแนวคิดของเจ. แม็กซ์เวลล์ (2.3) ปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้านั้นต่างจากแรงโน้มถ่วงตรงที่มีเพียงอนุภาคที่มีประจุเท่านั้น กล่าวคือ สนามไฟฟ้าอยู่ระหว่างอนุภาคที่มีประจุอยู่กับที่ 2 อนุภาค สนามแม่เหล็กอยู่ระหว่างอนุภาคที่มีประจุเคลื่อนที่ 2 อนุภาค แรงแม่เหล็กไฟฟ้าอาจเป็นแรงดึงดูดหรือแรงผลักก็ได้ อนุภาคที่มีประจุน่าจะผลักกัน อนุภาคที่มีประจุตรงข้ามจะดึงดูด พาหะของการโต้ตอบประเภทนี้คือโฟตอน ปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้าปรากฏอยู่ในโลกขนาดจิ๋ว มาโคร และเมก้าเวิลด์

ในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 ถูกสร้างขึ้น ไฟฟ้าพลศาสตร์ควอนตัม – ทฤษฎีปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่เป็นไปตามหลักการพื้นฐาน ทฤษฎีควอนตัมและทฤษฎีสัมพัทธภาพ ในปี 1965 ผู้แต่ง S. Tomanaga, R. Feynman และ J. Schwinger ได้รับรางวัลโนเบล พลศาสตร์ไฟฟ้าควอนตัมอธิบายปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคที่มีประจุ - อิเล็กตรอนและโพซิตรอน

ปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอถูกค้นพบเฉพาะในศตวรรษที่ 20 ในทศวรรษ 1960 มีการสร้างทฤษฎีทั่วไปของการโต้ตอบที่อ่อนแอ แรงที่อ่อนแอนั้นสัมพันธ์กับการสลายตัวของอนุภาค ดังนั้นการค้นพบจึงเกิดขึ้นหลังจากการค้นพบกัมมันตภาพรังสีเท่านั้น เมื่อสังเกตการสลายกัมมันตภาพรังสีของอนุภาค พบปรากฏการณ์ที่ดูเหมือนจะขัดแย้งกับกฎการอนุรักษ์พลังงาน ความจริงก็คือในระหว่างกระบวนการสลายตัว พลังงานส่วนหนึ่ง "หายไป" นักฟิสิกส์ W. Pauli แนะนำว่าในระหว่างกระบวนการสลายตัวของสารกัมมันตภาพรังสี อนุภาคที่มีพลังทะลุทะลวงสูงจะถูกปล่อยออกมาพร้อมกับอิเล็กตรอน อนุภาคนี้ต่อมามีชื่อว่า "นิวตริโน" ปรากฎว่าอันเป็นผลมาจากปฏิกิริยาที่อ่อนแอ นิวตรอนที่ประกอบเป็นนิวเคลียสของอะตอมจะสลายตัวออกเป็นอนุภาคสามประเภท ได้แก่ โปรตอนที่มีประจุบวก อิเล็กตรอนที่มีประจุลบ และนิวตริโนที่เป็นกลาง ปฏิกิริยาที่อ่อนแอนั้นมีขนาดเล็กกว่าปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้า แต่จะมากกว่าปฏิกิริยาแรงโน้มถ่วงและแตกต่างจากพวกมันตรงที่มันจะกระจายไปในระยะทางเล็ก ๆ - ไม่เกิน 10-22 ซม. นั่นคือสาเหตุที่ไม่ได้สังเกตปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอจากการทดลองมาเป็นเวลานาน พาหะของปฏิกิริยาที่อ่อนแอคือโบซอน

ในปี 1970 ทฤษฎีทั่วไปของแม่เหล็กไฟฟ้าและปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอถูกสร้างขึ้นเรียกว่า ทฤษฎีปฏิสัมพันธ์ทางไฟฟ้าอ่อนผู้สร้าง S. Weinberg, A. Salam และ S. Glashow ได้รับรางวัลโนเบลในปี 1979 ทฤษฎีปฏิสัมพันธ์แบบอิเล็กโทรอ่อนแอพิจารณาปฏิสัมพันธ์พื้นฐานสองประเภทว่าเป็นการรวมตัวกันของปฏิสัมพันธ์แบบเดียวและลึกกว่า ดังนั้น ที่ระยะห่างมากกว่า 10-17 ซม. ลักษณะทางแม่เหล็กไฟฟ้าของปรากฏการณ์จะมีอิทธิพลเหนือกว่า ในระยะทางที่น้อยกว่า ในระดับเดียวกันทั้งด้านแม่เหล็กไฟฟ้าและจุดอ่อนมีความสำคัญ การสร้างทฤษฎีที่อยู่ระหว่างการพิจารณาหมายความว่ารวมกันเป็นหนึ่งเดียว ฟิสิกส์คลาสสิกศตวรรษที่ 19 ภายใต้กรอบของทฤษฎีฟาราเดย์-แมกซ์เวลล์ ไฟฟ้า แม่เหล็ก และแสงสว่างในช่วงสามส่วนสุดท้ายของศตวรรษที่ XX เสริมด้วยปรากฏการณ์ปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอ

ปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งถูกค้นพบเฉพาะในศตวรรษที่ 20 เท่านั้น มันเก็บโปรตอนไว้ในนิวเคลียสของอะตอมเพื่อป้องกันไม่ให้โปรตอนกระเจิงภายใต้อิทธิพลของแรงผลักแม่เหล็กไฟฟ้า ปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงเกิดขึ้นที่ระยะไม่เกิน 10-13 ซม. และมีหน้าที่รับผิดชอบในความเสถียรของนิวเคลียส นิวเคลียสของธาตุที่อยู่ท้ายตารางธาตุไม่เสถียรเนื่องจากรัศมีของพวกมันกว้างมาก ดังนั้นปฏิกิริยาที่รุนแรงจึงสูญเสียความเข้มไป นิวเคลียสดังกล่าวอาจสลายตัวซึ่งเรียกว่ากัมมันตภาพรังสี ปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงมีหน้าที่รับผิดชอบในการก่อตัวของนิวเคลียสของอะตอม มีเพียงอนุภาคหนักเท่านั้นที่มีส่วนร่วม: โปรตอนและนิวตรอน ปฏิกิริยานิวเคลียร์ไม่ขึ้นอยู่กับประจุของอนุภาค พาหะของปฏิกิริยาประเภทนี้คือกลูออน กลูออนจะรวมกันเป็นสนามกลูออน (คล้ายกับสนามแม่เหล็กไฟฟ้า) เนื่องจากมีปฏิกิริยารุนแรงเกิดขึ้น ด้วยพลังของมัน ปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งนั้นเหนือกว่าสิ่งอื่นที่รู้จักและเป็นแหล่งพลังงานมหาศาล ตัวอย่างของปฏิกิริยาที่รุนแรงคือปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ในดวงอาทิตย์และดาวฤกษ์อื่นๆ หลักการปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงถูกนำมาใช้เพื่อสร้างอาวุธไฮโดรเจน

ทฤษฎีปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงเรียกว่า โครโมไดนามิกส์ควอนตัมตามทฤษฎีนี้ ปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงเป็นผลมาจากการแลกเปลี่ยนกลูออน ซึ่งส่งผลให้เกิดการเชื่อมโยงของควาร์กในแฮดรอน โครโมไดนามิกส์ควอนตัมยังคงพัฒนาต่อไป และถึงแม้จะยังไม่ถือว่าเป็นแนวคิดที่สมบูรณ์ของอันตรกิริยาที่รุนแรง แต่ทว่าทฤษฎีทางกายภาพนี้มีพื้นฐานการทดลองที่มั่นคง

ในฟิสิกส์สมัยใหม่ การค้นหายังคงดำเนินต่อไป ทฤษฎีแบบครบวงจรซึ่งจะทำให้สามารถอธิบายปฏิสัมพันธ์พื้นฐานทั้งสี่ประเภทได้ การสร้าง ทฤษฎีที่คล้ายกันยังหมายถึงการสร้างแนวคิดที่เป็นเอกภาพเกี่ยวกับอนุภาคมูลฐานด้วย โครงการนี้เรียกว่า "การรวมชาติอันยิ่งใหญ่" พื้นฐานสำหรับความเชื่อที่ว่าทฤษฎีดังกล่าวเป็นไปได้คือความจริงที่ว่าในระยะทางสั้น ๆ (น้อยกว่า 10-29 ซม.) และที่พลังงานสูง (มากกว่า 1,014 GeV) ปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่แรงและอ่อนแอนั้นอธิบายในลักษณะเดียวกัน หมายถึงธรรมชาติของพวกเขาเป็นเรื่องธรรมดา อย่างไรก็ตาม ข้อสรุปนี้ยังคงเป็นเพียงเชิงทฤษฎีเท่านั้น แต่ยังไม่สามารถยืนยันได้ด้วยการทดลอง

ทฤษฎีแกรนด์ยูนิไฟด์ที่แข่งขันกันหลายทฤษฎีตีความจักรวาลวิทยา (4.2) แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น สันนิษฐานว่าในขณะที่กำเนิดจักรวาลของเรา มีเงื่อนไขที่ปฏิสัมพันธ์พื้นฐานทั้งสี่แสดงออกมาในลักษณะเดียวกัน การสร้างทฤษฎีที่อธิบายปฏิสัมพันธ์ทั้งสี่ประเภทบนพื้นฐานที่เป็นหนึ่งเดียวจะต้องอาศัยการสังเคราะห์ทฤษฎีควาร์ก โครโมไดนามิกส์ควอนตัม จักรวาลวิทยาสมัยใหม่ และดาราศาสตร์เชิงสัมพันธ์

อย่างไรก็ตาม การค้นหาทฤษฎีที่รวมเป็นหนึ่งของการโต้ตอบพื้นฐานสี่ประเภทไม่ได้หมายความว่าการตีความสสารแบบอื่นจะเกิดขึ้นไม่ได้: การค้นพบปฏิสัมพันธ์ใหม่ การค้นหาอนุภาคมูลฐานใหม่ ฯลฯ นักฟิสิกส์บางคนแสดงความสงสัยเกี่ยวกับความเป็นไปได้ ของทฤษฎีที่เป็นเอกภาพ ดังนั้นผู้สร้างการทำงานร่วมกัน I. Prigogine และ I. Stengers ในหนังสือ "Time, Chaos, Quantum" เขียนว่า: "ความหวังในการสร้าง "ทฤษฎีของทุกสิ่ง" ซึ่งสามารถหาคำอธิบายที่สมบูรณ์ได้ ความเป็นจริงทางกายภาพจะต้องละทิ้งไป” และให้เหตุผลวิทยานิพนธ์ของตนตามกฎหมายที่กำหนดขึ้นภายใต้กรอบการทำงานร่วมกัน (7.2)

กฎหมายการอนุรักษ์มีบทบาทสำคัญในการทำความเข้าใจกลไกปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคมูลฐาน การก่อตัวและการสลายตัว นอกเหนือจากกฎการอนุรักษ์ที่ดำเนินการในมาโครเวิลด์ (กฎการอนุรักษ์พลังงาน กฎการอนุรักษ์โมเมนตัม และกฎการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุม) แล้ว ยังมีการค้นพบสิ่งใหม่ในฟิสิกส์ของไมโครเวิลด์: กฎการอนุรักษ์ของ แบริออน ประจุเลปตัน ความแปลกประหลาด ฯลฯ

กฎหมายอนุรักษ์แต่ละฉบับมีความเกี่ยวข้องกับความสมมาตรบางอย่างในโลกโดยรอบ ในวิชาฟิสิกส์ ความสมมาตรถูกเข้าใจว่าเป็นค่าคงที่ ซึ่งเป็นความไม่เปลี่ยนรูปของระบบที่สัมพันธ์กับการเปลี่ยนแปลง กล่าวคือ สัมพันธ์กับการเปลี่ยนแปลงในสภาวะทางกายภาพจำนวนหนึ่ง นักคณิตศาสตร์ชาวเยอรมัน Emma Noether สร้างความเชื่อมโยงระหว่างคุณสมบัติของอวกาศและเวลากับกฎการอนุรักษ์ของฟิสิกส์คลาสสิก ทฤษฎีบทพื้นฐานของฟิสิกส์คณิตศาสตร์ เรียกว่า ทฤษฎีบทของโนอีเธอร์ กล่าวว่าจากความสม่ำเสมอของอวกาศ กฎการอนุรักษ์โมเมนตัมจะตามมา จากความสม่ำเสมอของเวลา กฎการอนุรักษ์พลังงานจะตามมา และจากไอโซโทรปีของอวกาศ กฎการอนุรักษ์ของ โมเมนตัมเชิงมุมตามมา กฎเหล่านี้มีลักษณะพื้นฐานและใช้ได้กับการดำรงอยู่ของสสารทุกระดับ

กฎการอนุรักษ์และการเปลี่ยนแปลงพลังงานระบุว่าพลังงานจะไม่หายไปและไม่ปรากฏขึ้นอีก แต่จะผ่านจากรูปแบบหนึ่งไปยังอีกรูปแบบหนึ่งเท่านั้น กฎการอนุรักษ์โมเมนตัมกำหนดโมเมนตัมคงที่ของระบบปิดเมื่อเวลาผ่านไป กฎการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุมระบุว่าโมเมนตัมเชิงมุมของระบบวงรอบปิดจะคงที่ตลอดเวลา กฎการอนุรักษ์เป็นผลมาจากความสมมาตร เช่น ค่าคงที่ ความไม่เปลี่ยนแปลงของโครงสร้างของวัตถุวัตถุที่สัมพันธ์กับการเปลี่ยนแปลง หรือการเปลี่ยนแปลงในสภาพทางกายภาพของการดำรงอยู่

ความสามารถในการโต้ตอบเป็นคุณสมบัติที่สำคัญที่สุดและสำคัญของสสาร เป็นการโต้ตอบที่รับประกันการรวมวัตถุวัตถุต่าง ๆ ของเมกะ มาโคร และไมโครเวิลด์เข้าไว้ในระบบ แรงทั้งหมดที่วิทยาศาสตร์สมัยใหม่รู้จักมีปฏิกิริยากันสี่ประเภทซึ่งเรียกว่าแรงพื้นฐาน: แรงโน้มถ่วง แม่เหล็กไฟฟ้า ความอ่อนแอ และแรง

ปฏิสัมพันธ์ของแรงโน้มถ่วงกลายเป็นเป้าหมายของการศึกษาฟิสิกส์ครั้งแรกในศตวรรษที่ 17 I. ทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของนิวตันซึ่งอิงตามกฎแรงโน้มถ่วงสากล ได้กลายเป็นหนึ่งในองค์ประกอบของกลศาสตร์คลาสสิก อนุภาควัตถุใดๆ ก็ตามเป็นแหล่งที่มาของอิทธิพลโน้มถ่วงและสัมผัสกับมันด้วยตัวมันเอง เมื่อมวลเพิ่มขึ้น ปฏิกิริยาระหว่างแรงโน้มถ่วงก็จะเพิ่มขึ้น เช่น ยิ่งมวลของสารที่มีปฏิสัมพันธ์กันมากเท่าใด แรงโน้มถ่วงก็จะยิ่งแข็งแกร่งขึ้นเท่านั้น แรงโน้มถ่วงเป็นพลังแห่งแรงดึงดูด ปฏิกิริยาโน้มถ่วงเป็นจุดอ่อนที่สุดที่ทราบกันในปัจจุบัน แรงโน้มถ่วงกระทำในระยะทางที่ไกลมาก ความเข้มของมันจะลดลงตามระยะทางที่เพิ่มขึ้น แต่ไม่ได้หายไปทั้งหมด เชื่อกันว่าพาหะของอันตรกิริยาโน้มถ่วงคือกราวิตอนของอนุภาคสมมุติ ในโลกใบเล็กๆ ปฏิสัมพันธ์ของแรงโน้มถ่วงไม่ได้มีบทบาทสำคัญ แต่ในกระบวนการมหภาคและโดยเฉพาะอย่างยิ่งในเมกะโปรเซสนั้น ปฏิสัมพันธ์นั้นมีบทบาทนำ

ปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้ากลายเป็นวิชาฟิสิกส์ของศตวรรษที่ 19 ทฤษฎีรวมแรกของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าคือแนวคิดของเจ. แม็กซ์เวลล์ ปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้าเกิดขึ้นระหว่างอนุภาคที่มีประจุเท่านั้น: สนามไฟฟ้าอยู่ระหว่างอนุภาคที่มีประจุคงที่สองตัว สนามแม่เหล็กอยู่ระหว่างอนุภาคที่มีประจุเคลื่อนที่สองตัว แรงแม่เหล็กไฟฟ้าอาจเป็นแรงดึงดูดหรือแรงผลักก็ได้ อนุภาคที่มีประจุน่าจะผลักกัน อนุภาคที่มีประจุตรงข้ามจะดึงดูด พาหะของการโต้ตอบประเภทนี้คือโฟตอน ปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้าปรากฏอยู่ในโลกขนาดจิ๋ว มาโคร และเมก้าเวิลด์

ในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 ถูกสร้างขึ้น ไฟฟ้าพลศาสตร์ควอนตัม– ทฤษฎีปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งอธิบายปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคที่มีประจุ - อิเล็กตรอนและโพซิตรอน ในปี 1965 ผู้แต่ง S. Tomanaga, R. Feynman และ J. Schwinger ได้รับรางวัลโนเบล

ปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอถูกค้นพบเฉพาะในศตวรรษที่ 20 ในยุค 60 มีการสร้างทฤษฎีทั่วไปของการโต้ตอบที่อ่อนแอ แรงที่อ่อนแอนั้นสัมพันธ์กับการสลายตัวของอนุภาค ดังนั้นการค้นพบจึงเกิดขึ้นหลังจากการค้นพบกัมมันตภาพรังสีเท่านั้น นักฟิสิกส์ W. Pauli แนะนำว่าในระหว่างกระบวนการสลายตัวของสารกัมมันตภาพรังสี อนุภาคที่มีพลังทะลุทะลวงสูงจะถูกปล่อยออกมาพร้อมกับอิเล็กตรอน อนุภาคนี้ต่อมามีชื่อว่า "นิวตริโน" ปรากฎว่าอันเป็นผลมาจากปฏิกิริยาที่อ่อนแอ นิวตรอนที่ประกอบเป็นนิวเคลียสของอะตอมจะสลายตัวออกเป็นอนุภาคสามประเภท ได้แก่ โปรตอนที่มีประจุบวก อิเล็กตรอนที่มีประจุลบ และนิวตริโนที่เป็นกลาง ปฏิกิริยาที่อ่อนแอนั้นมีขนาดเล็กกว่าปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้า แต่จะมากกว่าแรงโน้มถ่วง และไม่เหมือนกับพวกมันที่แพร่กระจายในระยะทางเล็ก ๆ - ไม่เกิน 10–22 ซม. นั่นคือสาเหตุที่ไม่ได้สังเกตปฏิกิริยาที่อ่อนแอจากการทดลองมาเป็นเวลานาน เวลา. พาหะของปฏิกิริยาที่อ่อนแอคือโบซอน

ในยุค 70 ศตวรรษที่ XX ทฤษฎีทั่วไปของแม่เหล็กไฟฟ้าและปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอถูกสร้างขึ้นเรียกว่า ทฤษฎีปฏิสัมพันธ์ทางไฟฟ้าอ่อนผู้สร้าง S. Weinberg, A. Sapam และ S. Glashow ได้รับรางวัลโนเบลในปี 1979 ทฤษฎีปฏิสัมพันธ์แบบอิเล็กโทรอ่อนแอพิจารณาปฏิสัมพันธ์พื้นฐานสองประเภทว่าเป็นการรวมตัวกันของปฏิสัมพันธ์แบบเดียวและลึกกว่า ดังนั้น ที่ระยะห่างมากกว่า 10–17 ซม. ด้านแม่เหล็กไฟฟ้าของปรากฏการณ์จะมีอิทธิพลเหนือกว่า ในระยะทางที่สั้นกว่า ทั้งด้านแม่เหล็กไฟฟ้าและด้านอ่อนก็มีความสำคัญเท่าเทียมกัน การสร้างทฤษฎีที่อยู่ระหว่างการพิจารณาหมายความว่า รวมกันเป็นหนึ่งเดียวในฟิสิกส์คลาสสิกของศตวรรษที่ 19 ภายในกรอบของทฤษฎีฟาราเดย์-แมกซ์เวลล์ ไฟฟ้า แม่เหล็ก และแสง ในช่วงสามส่วนสุดท้ายของศตวรรษที่ 20 เสริมด้วยปรากฏการณ์ปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอ

ปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งถูกค้นพบเฉพาะในศตวรรษที่ 20 เท่านั้น มันเก็บโปรตอนไว้ในนิวเคลียสของอะตอมเพื่อป้องกันไม่ให้โปรตอนกระเจิงภายใต้อิทธิพลของแรงผลักแม่เหล็กไฟฟ้า ปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงเกิดขึ้นที่ระยะไม่เกิน 10–13 ซม. และมีหน้าที่รับผิดชอบในความเสถียรของนิวเคลียส เมล็ดขององค์ประกอบที่อยู่ท้ายตาราง D.I. Mendeleev นั้นไม่เสถียรเพราะรัศมีของมันกว้างมาก ดังนั้นปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงจึงสูญเสียความเข้มข้นไป นิวเคลียสดังกล่าวอาจสลายตัวซึ่งเรียกว่ากัมมันตภาพรังสี ปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงมีหน้าที่รับผิดชอบในการก่อตัวของนิวเคลียสของอะตอม มีเพียงอนุภาคหนักเท่านั้นที่มีส่วนร่วม: โปรตอนและนิวตรอน ปฏิกิริยานิวเคลียร์ไม่ได้ขึ้นอยู่กับประจุของอนุภาค แต่พาหะของปฏิกิริยาประเภทนี้คือกลูออน กลูออนจะรวมกันเป็นสนามกลูออน (คล้ายกับสนามแม่เหล็กไฟฟ้า) เนื่องจากมีปฏิกิริยารุนแรงเกิดขึ้น ด้วยพลังของมัน ปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งนั้นเหนือกว่าสิ่งอื่นที่รู้จักและเป็นแหล่งพลังงานมหาศาล ตัวอย่างของปฏิกิริยาที่รุนแรงคือปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ในดวงอาทิตย์และดาวฤกษ์อื่นๆ หลักการปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงถูกนำมาใช้เพื่อสร้างอาวุธไฮโดรเจน

ทฤษฎีปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงเรียกว่า โครโมไดนามิกส์ควอนตัมตามทฤษฎีนี้ ปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงเป็นผลมาจากการแลกเปลี่ยนกลูออน ซึ่งส่งผลให้เกิดการเชื่อมโยงของควาร์กในแฮดรอน โครโมไดนามิกส์ควอนตัมยังคงพัฒนาต่อไป ยังไม่สามารถถือเป็นแนวคิดที่สมบูรณ์ของปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงได้ แต่มีพื้นฐานการทดลองที่มั่นคง

ในฟิสิกส์ยุคใหม่ การค้นหายังคงดำเนินต่อไปสำหรับทฤษฎีที่เป็นเอกภาพซึ่งจะอธิบายปฏิสัมพันธ์พื้นฐานทั้งสี่ประเภท การสร้างทฤษฎีดังกล่าวยังหมายถึงการสร้างแนวคิดที่เป็นเอกภาพเกี่ยวกับอนุภาคมูลฐานด้วย โครงการนี้เรียกว่า "การรวมชาติอันยิ่งใหญ่" พื้นฐานสำหรับความเชื่อที่ว่าทฤษฎีดังกล่าวเป็นไปได้คือข้อเท็จจริงที่ว่าในระยะทางสั้น ๆ (น้อยกว่า 10–29 ซม.) และที่พลังงานสูง (มากกว่า 10 14 GeV) ปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้า แรง และอ่อนนั้นอธิบายในลักษณะเดียวกัน ซึ่งหมายความว่าธรรมชาติของพวกเขาเป็นเรื่องธรรมดา อย่างไรก็ตาม ข้อสรุปนี้เป็นเพียงเชิงทฤษฎีเท่านั้น แต่ยังไม่สามารถยืนยันได้ด้วยการทดลอง

กฎหมายการอนุรักษ์มีบทบาทสำคัญในการทำความเข้าใจกลไกปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคมูลฐาน การก่อตัวและการสลายตัว นอกเหนือจากกฎการอนุรักษ์ที่ดำเนินการในมาโครเวิลด์ (กฎการอนุรักษ์พลังงาน กฎการอนุรักษ์โมเมนตัม และกฎการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุม) แล้ว ยังมีการค้นพบสิ่งใหม่ในฟิสิกส์ของไมโครเวิลด์: กฎการอนุรักษ์ของ แบริออน, ประจุเลปตัน ฯลฯ

ในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ 20 ด้วยการสร้างเครื่องเร่งอนุภาคที่มีประจุ ทำให้ได้ผลลัพธ์ที่น่าอัศจรรย์อย่างแท้จริงในวิชาฟิสิกส์ มีการค้นพบอนุภาคย่อยของอะตอมใหม่จำนวนมาก อนุภาคใหม่มักจะถูกค้นพบโดยการสังเกตปฏิกิริยาการกระเจิงของอนุภาคที่รู้จักอยู่แล้ว ในการทำเช่นนี้ เครื่องเร่งจะชนอนุภาคด้วยพลังงานมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ จากนั้นจึงศึกษาผลคูณของปฏิกิริยาระหว่างกัน

โลกแห่งอนุภาคมูลฐานมีความหลากหลายอย่างแท้จริง สำหรับอนุภาคที่รู้จักอยู่แล้วซึ่งอะตอมและโมเลกุลถูกสร้างขึ้น (โปรตอน, นิวตรอน, อิเล็กตรอน) มีการเพิ่มอนุภาคอื่น ๆ อีกมากมาย: มิวออน, มีซอน, ไฮเปอร์รอน, แอนติพาร์ติเคิล, อนุภาคเป็นกลางต่างๆ ฯลฯ ในบรรดาอนุภาคย่อยของอะตอมนั้น อนุภาคก็ถูกค้นพบเช่นกัน ในเรื่องรอบตัวเราไม่เคยเกิดขึ้นจริง - เสียงสะท้อน เวลาชีวิตของพวกเขาคือเสี้ยววินาทีที่เล็กที่สุด หลังจากช่วงเวลาอันแสนสั้นนี้ พวกมันจะสลายตัวเป็นอนุภาคธรรมดา

ในช่วงทศวรรษ 1950-1970 นักฟิสิกส์รู้สึกงุนงงกับจำนวน ความหลากหลาย และความแปลกประหลาดของอนุภาคมูลฐานที่เพิ่งค้นพบใหม่ หากในช่วงปลายทศวรรษ 1940 แม้ว่าเราจะรู้จักอนุภาคมูลฐาน 15 อนุภาค แต่ในช่วงปลายทศวรรษ 1970 มีอนุภาคอยู่ประมาณ 400 อนุภาคแล้ว ยังไม่ชัดเจนเลยว่าทำไมจึงมีอนุภาคมากมายขนาดนี้ อนุภาคมูลฐานเป็นเพียงเศษสสารแบบสุ่ม หรืออาจมีคำสั่งบางอย่างซ่อนอยู่หลังปฏิสัมพันธ์ของพวกมันหรือไม่? พัฒนาการของฟิสิกส์ในทศวรรษต่อมาได้แสดงให้เห็นว่าโลกของอนุภาคมูลฐานมีลักษณะเป็นลำดับโครงสร้างที่ลึก ลำดับนี้ขึ้นอยู่กับปฏิสัมพันธ์ทางกายภาพขั้นพื้นฐาน

10.1. ปฏิสัมพันธ์ทางกายภาพขั้นพื้นฐาน

10.1.1. แนวคิดพื้นฐานของการมีปฏิสัมพันธ์ทางกายภาพ

ในตัวเขา ชีวิตประจำวันบุคคลต้องเผชิญกับแรงมากมายที่กระทำต่อร่างกาย: พลังลมหรือการไหลของน้ำ ความกดอากาศ การระเบิดอันทรงพลัง สารเคมี- ความแข็งแรงของกล้ามเนื้อมนุษย์ น้ำหนักของวัตถุ ความดันของควอนตัมแสง แรงดึงดูดและแรงผลักของประจุไฟฟ้า คลื่นไหวสะเทือนซึ่งบางครั้งก่อให้เกิดความหายนะ การระเบิดของภูเขาไฟที่นำไปสู่ความตายของอารยธรรม

ต่างๆ ฯลฯ แรงบางชนิดกระทำโดยตรงเมื่อสัมผัสกับร่างกาย แรงอื่นๆ เช่น แรงโน้มถ่วง กระทำในระยะไกลผ่านอวกาศ แต่ปรากฎว่าเป็นผลมาจากการพัฒนาวิทยาศาสตร์ธรรมชาติ แม้จะมีความหลากหลายมาก พลังทั้งหมดที่ปฏิบัติการในธรรมชาติสามารถลดลงเหลือเพียงปฏิสัมพันธ์พื้นฐานสี่ประการ

เพื่อที่จะเพิ่มความเข้มข้น ปฏิสัมพันธ์พื้นฐานเหล่านี้จะถูกนำเสนอ ดังต่อไปนี้: อันตรกิริยาแรงโน้มถ่วง ปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอ ปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้า ปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่ง ปฏิกิริยาเหล่านี้เองที่รับผิดชอบต่อการเปลี่ยนแปลงในธรรมชาติในท้ายที่สุด สิ่งเหล่านี้เป็นที่มาของการเปลี่ยนแปลงของวัตถุและกระบวนการทั้งหมด การโต้ตอบพื้นฐานทั้งสี่แต่ละครั้งมีความคล้ายคลึงกับอีกสามการโต้ตอบอื่น ๆ และในขณะเดียวกันก็มีความแตกต่างกัน

ก่อนอื่น ควรพูดถึงสิ่งที่พบบ่อยในการโต้ตอบพื้นฐานเหล่านี้ กล่าวอีกนัยหนึ่ง: ฟิสิกส์ยุคใหม่เข้าใจสาระสำคัญของการโต้ตอบอย่างไร ดังที่ได้กล่าวไปแล้วย้อนกลับไปในกลางศตวรรษที่ 19 ด้วยการสร้างทฤษฎีสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นที่ชัดเจนว่าการถ่ายโอนปฏิสัมพันธ์ไม่ได้เกิดขึ้นทันที (หลักการของการกระทำในระยะยาว) แต่ด้วยความเร็วที่จำกัดผ่านตัวกลางบางตัว - สนามที่กระจายอย่างต่อเนื่องในอวกาศ ( หลักการกระทำระยะสั้น) ความเร็วการแพร่กระจายของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเท่ากับความเร็วแสง (ดู 8.1.4)

อย่างไรก็ตาม ในช่วงไตรมาสแรกของศตวรรษที่ 20 ด้วยการถือกำเนิดของกลศาสตร์ควอนตัม ความเข้าใจในสนามกายภาพก็ลึกซึ้งยิ่งขึ้นอย่างมาก เมื่อพิจารณาถึงทวินิยมของคลื่นควอนตัม สนามใดๆ ก็ตามจะไม่ต่อเนื่องกัน แต่มีโครงสร้างที่แยกจากกัน อนุภาคจำนวนหนึ่งซึ่งเป็นควอนตัมของสนามนี้ จะต้องสอดคล้องกัน ตัวอย่างเช่น ควอนต้าของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าคือโฟตอน เมื่ออนุภาคมีประจุแลกเปลี่ยนโฟตอนซึ่งกันและกัน จะส่งผลให้เกิดสนามแม่เหล็กไฟฟ้า โฟตอนเป็นพาหะของปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้า

ในทำนองเดียวกัน การโต้ตอบพื้นฐานประเภทอื่นๆ จะมีสนามของตัวเองและอนุภาคที่สอดคล้องกันซึ่งมีปฏิสัมพันธ์ในสนามนี้ การศึกษาคุณสมบัติเฉพาะ รูปแบบของสาขาและอนุภาคเหล่านี้ ซึ่งเป็นพาหะของการโต้ตอบพื้นฐาน ถือเป็นภารกิจหลัก ฟิสิกส์สมัยใหม่.

10.1.2. แรงโน้มถ่วง.

แรงโน้มถ่วงเป็นปฏิกิริยาพื้นฐานประการแรกจากสี่ปฏิกิริยาที่กลายมาเป็นหัวข้อของการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ สร้างขึ้นในศตวรรษที่ 17 ทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของนิวตัน (กฎแรงโน้มถ่วงสากล) ทำให้สามารถเข้าใจบทบาทที่แท้จริงของแรงโน้มถ่วงในฐานะพลังแห่งธรรมชาติได้เป็นครั้งแรก (ดู 6.4.1) ทฤษฎีสัมพัทธภาพแรงโน้มถ่วงคือทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ซึ่งในบริเวณที่มีสนามโน้มถ่วงอ่อนจะเปลี่ยนเป็นทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของนิวตัน

แรงโน้มถ่วงมีคุณสมบัติหลายประการที่ทำให้แรงโน้มถ่วงแตกต่างจากปฏิสัมพันธ์พื้นฐานอื่นๆ อย่างชัดเจน ลักษณะแรงโน้มถ่วงที่น่าประหลาดใจที่สุดคือความเข้มต่ำ ปฏิกิริยาแรงโน้มถ่วงนั้นน้อยกว่าแรงปฏิกิริยาของประจุไฟฟ้าถึง 1,039 เท่า ดังนั้นจึงมักไม่นำมาพิจารณาในการอธิบายปฏิกิริยาของอนุภาคมูลฐาน ในโลกใบเล็ก แรงโน้มถ่วงนั้นไม่มีนัยสำคัญ

1 หากขนาดของอะตอมไฮโดรเจนถูกกำหนดโดยแรงโน้มถ่วง ไม่ใช่จากอันตรกิริยาระหว่างประจุไฟฟ้า รัศมีของวงโคจรอิเล็กตรอนต่ำสุด (ใกล้นิวเคลียสมากที่สุด) จะเกินรัศมีของส่วนที่สังเกตได้ของจักรวาล

พลังที่อ่อนแอเช่นนี้จะกลายเป็นพลังที่โดดเด่นในจักรวาลได้อย่างไร? มันคือทั้งหมดที่เกี่ยวกับคุณลักษณะอันน่าทึ่งประการที่สองของแรงโน้มถ่วง นั่นคือความเป็นสากลของมัน ไม่มีสิ่งใดในจักรวาลสามารถหลีกหนีจากแรงโน้มถ่วงได้ แต่ละอนุภาคสัมผัสกับการกระทำของแรงโน้มถ่วงและเป็นแหล่งกำเนิดของแรงโน้มถ่วงทำให้เกิดแรงดึงดูดจากแรงโน้มถ่วง แรงโน้มถ่วงจะเพิ่มขึ้นตามการสะสมของสสารที่ใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ และแม้ว่าแรงดึงดูดของอะตอมหนึ่งจะไม่สำคัญ แต่แรงดึงดูดที่เกิดจากทุกอะตอมก็มีความสำคัญเช่นกัน สิ่งนี้ยังปรากฏอยู่ในชีวิตประจำวัน: เรารู้สึกถึงแรงโน้มถ่วงเพราะอะตอมทั้งหมดของโลกดึงดูดเราเข้าด้วยกัน

นอกจากนี้แรงโน้มถ่วงยังเป็นพลังธรรมชาติในระยะไกล ซึ่งหมายความว่าแม้ว่าความเข้มของปฏิกิริยาโน้มถ่วงจะลดลงตามระยะทาง แต่มันจะแพร่กระจายไปในอวกาศและอาจส่งผลต่อวัตถุที่อยู่ห่างไกลจากแหล่งกำเนิดมาก ในระดับดาราศาสตร์ ปฏิกิริยาแรงโน้มถ่วงมีแนวโน้มที่จะมีบทบาทสำคัญ ด้วยการกระทำระยะไกล แรงโน้มถ่วงจึงป้องกันไม่ให้จักรวาลแตกสลาย: มันยึดดาวเคราะห์ไว้ในวงโคจร ดวงดาวในกาแลคซี กาแลคซีในกระจุกดาว กระจุกดาวในเมตากาแล็กซี

แรงโน้มถ่วงที่กระทำระหว่างอนุภาคนั้นเป็นแรงดึงดูดเสมอ โดยมีแนวโน้มที่จะทำให้อนุภาคเข้ามาใกล้กันมากขึ้น ไม่เคยมีการสังเกตแรงผลักจากแรงโน้มถ่วงมาก่อน

1 แม้ว่าในประเพณีของตำนานกึ่งวิทยาศาสตร์จะมีพื้นที่ทั้งหมดเรียกว่าการลอยตัว - การค้นหา "ข้อเท็จจริง" ของการต้านแรงโน้มถ่วง

เป็นเรื่องยากมากที่จะพัฒนาแนวคิดเกี่ยวกับการหาปริมาณของแรงโน้มถ่วง อย่างไรก็ตาม ตามแนวคิดทางทฤษฎีและฟิสิกส์ทั่วไป ปฏิสัมพันธ์ของแรงโน้มถ่วงควรเป็นไปตามนั้น กฎควอนตัมเช่นเดียวกับแม่เหล็กไฟฟ้า (ไม่เช่นนั้น จะเกิดความขัดแย้งหลายประการขึ้นในรากฐานของฟิสิกส์ยุคใหม่ รวมถึงความขัดแย้งที่เกี่ยวข้องกับหลักการความไม่แน่นอน เป็นต้น) ในกรณีนี้ ปฏิกิริยาแรงโน้มถ่วงจะต้องสอดคล้องกับสนามที่มีควอนตัมแรงโน้มถ่วง - กราวิตอน (อนุภาคที่เป็นกลางและไม่มีส่วนที่เหลือเป็นศูนย์ มวลและการหมุน 2) แรงโน้มถ่วงควอนตัมนำไปสู่การเกิดขึ้นของแนวคิดเกี่ยวกับคุณสมบัติที่ไม่ต่อเนื่องของกาล-อวกาศ แนวคิดของความยาวเบื้องต้น ควอนตัมอวกาศ r ñ 10-33 ซม. และช่วงเวลาเบื้องต้น ควอนตัมเวลา t ñ 10-43 วินาที ยังไม่มีการสร้างทฤษฎีแรงโน้มถ่วงควอนตัมที่สอดคล้องกัน

น่าเสียดายที่ความสามารถของฟิสิกส์แรงโน้มถ่วงเชิงทดลองและดาราศาสตร์สมัยใหม่ไม่อนุญาตให้เราตรวจจับได้ ผลกระทบควอนตัมแรงโน้มถ่วงเนื่องจากจุดอ่อนที่รุนแรง อย่างไรก็ตาม ดูเหมือนว่าปรากฏการณ์ที่แสดงคุณสมบัติควอนตัมของแรงโน้มถ่วงมีอยู่จริง พวกมันปรากฏตัวในสนามโน้มถ่วงที่รุนแรงมาก ซึ่งกระบวนการควอนตัมของการสร้างอนุภาคเกิดขึ้น (จุดเอกฐาน ช่วงเวลาเริ่มต้นการกำเนิดจักรวาล การล่มสลายของแรงโน้มถ่วง หลุมดำ (ดู 11.4 และ 11.7))

10.1.3. แม่เหล็กไฟฟ้า

แรงไฟฟ้ามีขนาดใหญ่กว่าแรงโน้มถ่วงมาก ดังนั้น แรงไฟฟ้าที่กระทำระหว่างวัตถุที่มีขนาดปกติสามารถสังเกตได้ง่ายไม่เหมือนกับปฏิสัมพันธ์ของแรงโน้มถ่วงแบบอ่อน แม่เหล็กไฟฟ้าเป็นที่รู้จักของผู้คนมาตั้งแต่สมัยโบราณ ( ออโรร่า, ฟ้าแลบวาบ ฯลฯ) แต่เป็นเวลานานที่มีการศึกษาปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าและแม่เหล็กอย่างเป็นอิสระจากกัน และเฉพาะในช่วงกลางศตวรรษที่ 19 เท่านั้น เจ.ซี. แม็กซ์เวลล์ผสมผสานคำสอนเรื่องไฟฟ้าและแม่เหล็กเข้าเป็นทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าแบบครบวงจร

ไม่มีสนาม และการดำรงอยู่ของอิเล็กตรอน (หน่วยประจุไฟฟ้า) ได้รับการจัดตั้งขึ้นอย่างมั่นคงในทศวรรษที่ 1890 แต่ไม่ใช่ว่าอนุภาคมูลฐานทั้งหมดจะเป็นพาหะของประจุไฟฟ้า เป็นกลางทางไฟฟ้า เช่น โฟตอน และนิวตริโน นี่คือวิธีที่ไฟฟ้าแตกต่างจากแรงโน้มถ่วง อนุภาคของวัสดุทั้งหมดจะสร้างสนามโน้มถ่วงในขณะที่เกิดไฟฟ้า สนามแม่เหล็กมีเพียงอนุภาคที่มีประจุเท่านั้นที่ถูกผูกไว้

เช่นเดียวกับประจุไฟฟ้า เช่น ขั้วแม่เหล็กจะผลักกัน และขั้วตรงข้ามจะดึงดูดกัน แต่ต่างจากประจุไฟฟ้า ขั้วแม่เหล็กไม่ได้เกิดขึ้นแยกกัน แต่เกิดขึ้นเป็นคู่เท่านั้น - ขั้วเหนือและขั้วใต้ ตั้งแต่สมัยโบราณ เป็นที่ทราบกันดีว่ามีความพยายามในการแบ่งแม่เหล็ก โดยแบ่งขั้วแม่เหล็กเพียงขั้วเดียวเท่านั้น - โมโนโพล แต่พวกเขาทั้งหมดจบลงด้วยความล้มเหลว บางทีการมีอยู่ของขั้วแม่เหล็กที่แยกออกจากกันในธรรมชาติอาจไม่รวมอยู่ในนั้น? ยังไม่มีคำตอบที่ชัดเจนสำหรับคำถามนี้ ทฤษฎีสมัยใหม่บางทฤษฎีอนุญาตให้มีความเป็นไปได้ของการมีอยู่ของโมโนโพลแม่เหล็ก (ดู 10.3.5)

สนามแม่เหล็กไฟฟ้าของอนุภาคที่มีประจุนิ่งหรือเคลื่อนที่สม่ำเสมอไม่สามารถแยกออกจากอนุภาคเหล่านี้ได้ แต่เมื่อไร การเคลื่อนไหวแบบเร่งอนุภาคสนามแม่เหล็กไฟฟ้าจะ "แยกตัว" จากพวกมันและมีส่วนร่วมในรูปแบบที่เป็นอิสระ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า- ในกรณีนี้คลื่นวิทยุ (103-1,012 Hz) รังสีอินฟราเรด(1012 - 3.7 1014 Hz) แสงที่มองเห็นได้ (3.7 1014 - 7.5 1014 Hz) รังสีอัลตราไวโอเลต (7.5 1014 - 3 1017 Hz) รังสีเอกซ์ (3 1017 - 3 1020 Hz) และรังสีแกมมา (3 102- 1,023 เฮิรตซ์) เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่ต่างๆ ยิ่งไปกว่านั้น ไม่มีขอบเขตที่ชัดเจนระหว่างช่วงที่อยู่ใกล้เคียงกัน (ความยาวของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและความถี่ของคลื่นมีความสัมพันธ์กันโดยความสัมพันธ์: แล = c/v โดยที่ γ คือความยาวคลื่น v คือความถี่ c คือความเร็วของแสง) .

ปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้า (เช่น แรงโน้มถ่วง) เป็นปฏิกิริยาในระยะไกล โดยจะสังเกตเห็นได้ชัดเจนในระยะห่างจากแหล่งกำเนิดมาก เช่นเดียวกับแรงโน้มถ่วง มันปฏิบัติตามกฎหมาย สี่เหลี่ยมผกผัน- ปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้าปรากฏให้เห็นในทุกระดับของสสาร - ใน megaworld, macroworld และ microworld

สนามแม่เหล็กไฟฟ้าของโลกแผ่ออกไปไกลออกไปในอวกาศ สนามอันทรงพลังของดวงอาทิตย์ก็ปกคลุมไปทั่วทั้งระบบสุริยะ นอกจากนี้ยังมีสนามแม่เหล็กไฟฟ้าทางช้างเผือกอีกด้วย ในเวลาเดียวกัน ปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้าจะกำหนดโครงสร้างของอะตอมและโมเลกุล (นิวเคลียสที่มีประจุบวกและอิเล็กตรอนที่มีประจุลบ) มีหน้าที่รับผิดชอบปรากฏการณ์และกระบวนการทางกายภาพและเคมีส่วนใหญ่ (ยกเว้นนิวเคลียร์): แรงยืดหยุ่น แรงเสียดทาน แรงตึงผิว เป็นตัวกำหนดคุณสมบัติ สถานะของการรวมตัวสาร, การเปลี่ยนแปลงทางเคมี, ปรากฏการณ์ทางแสง, ปรากฏการณ์ไอออไนซ์ , ปฏิกิริยามากมายในโลกของอนุภาคมูลฐาน ฯลฯ

10.1.4. ปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอ

ฟิสิกส์ได้เคลื่อนตัวไปอย่างช้าๆ เพื่อระบุการมีอยู่ของปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอ ปฏิกิริยาที่อ่อนแอทำให้เกิดการสลายตัวของอนุภาค ดังนั้นจึงพบการสำแดงของมันในระหว่างการค้นพบกัมมันตภาพรังสีและการศึกษาการสลายตัวของบีตา (ดู 8.1.5)

พบว่ามีการสลายตัวของเบต้าสูง คุณสมบัติแปลก ๆ- ดูเหมือนว่าในการสลายตัวนี้กฎการอนุรักษ์พลังงานถูกละเมิด พลังงานส่วนหนึ่งหายไปที่ไหนสักแห่ง เพื่อ "รักษา" กฎการอนุรักษ์พลังงาน W. Pauli แนะนำว่าในระหว่างการสลายตัวของบีตา อนุภาคอีกชิ้นจะลอยออกไปพร้อมกับอิเล็กตรอน และนำพลังงานที่หายไปไปด้วย มีความเป็นกลางและมีความสามารถในการทะลุทะลวงสูงผิดปกติซึ่งส่งผลให้ไม่สามารถสังเกตได้ E. Fermi เรียกอนุภาคที่มองไม่เห็นว่า "นิวตริโน"

แต่การทำนายนิวตริโนเป็นเพียงจุดเริ่มต้นของปัญหา นั่นคือการกำหนดสูตรของมัน จำเป็นต้องอธิบายธรรมชาติของนิวตริโน แต่ก็ยังมีความลึกลับอยู่มาก ความจริงก็คืออิเล็กตรอนและนิวตริโนถูกปล่อยออกมาจากนิวเคลียสที่ไม่เสถียร แต่เป็นที่ทราบกันดีว่าไม่มีอนุภาคดังกล่าวอยู่ภายในนิวเคลียส พวกเขาเกิดขึ้นได้อย่างไร? ปรากฎว่านิวตรอนที่รวมอยู่ในนิวเคลียสถูกปล่อยทิ้งไว้ที่อุปกรณ์ของพวกมันเอง หลังจากนั้นไม่กี่นาทีก็สลายตัวเป็นโปรตอน อิเล็กตรอน และนิวตริโน พลังอะไรทำให้เกิดการแตกสลายเช่นนี้? การวิเคราะห์แสดงให้เห็นว่าแรงที่ทราบไม่สามารถทำให้เกิดการแตกสลายดังกล่าวได้ เห็นได้ชัดว่ามันถูกสร้างขึ้นโดยพลังอื่นที่ไม่รู้จัก ซึ่งสอดคล้องกับ "ปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอ" บางอย่าง

อันตรกิริยาแบบอ่อนจะมีขนาดน้อยกว่าอันตรกิริยาทั้งหมดอย่างมีนัยสำคัญ ยกเว้นอันตรกิริยาแรงโน้มถ่วง หากมีอยู่ ผลกระทบของมันจะถูกบดบังด้วยปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้าและรุนแรง นอกจากนี้ ปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอยังขยายออกไปในระยะทางที่สั้นมาก รัศมีของผู้อ่อนแอ

ปฏิสัมพันธ์มีขนาดเล็กมาก (10-16 ซม.) ดังนั้นจึงไม่สามารถส่งอิทธิพลไม่เพียงแต่ในขนาดมหภาคเท่านั้น แต่ยังส่งผลต่อวัตถุอะตอมมิกด้วย และจำกัดอยู่เพียงอนุภาคที่ต่ำกว่าอะตอมเท่านั้น นอกจากนี้ เมื่อเปรียบเทียบกับปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้าและปฏิกิริยาที่รุนแรง ปฏิกิริยาที่อ่อนแอจะช้ามาก

เมื่อการค้นพบอนุภาคใต้นิวเคลียร์ที่ไม่เสถียรจำนวนมากเหมือนหิมะถล่ม พบว่าอนุภาคส่วนใหญ่มีปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอ ปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอมีบทบาทสำคัญมากในธรรมชาติ เป็นส่วนสำคัญของปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ในดวงอาทิตย์และดวงดาว ทำให้เกิดการสังเคราะห์พัลซาร์และการระเบิด ซุปเปอร์โนวาการสังเคราะห์องค์ประกอบทางเคมีในดาวฤกษ์ เป็นต้น

ทฤษฎีปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอถูกสร้างขึ้นในช่วงปลายทศวรรษ 1960 (ดู 10.3.3) การสร้างทฤษฎีนี้เป็นก้าวสำคัญสู่เอกภาพของฟิสิกส์

10.1.5. ปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่ง

ปฏิสัมพันธ์พื้นฐานชุดสุดท้ายคือปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรง ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานมหาศาล ตัวอย่างพลังงานที่ปล่อยออกมาโดยทั่วไป ปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่ง, - ดวงอาทิตย์. ในส่วนลึกของดวงอาทิตย์และดวงดาว ปฏิกิริยาแสนสาหัสเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง เกิดจากการมีปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรง (โดยมีส่วนร่วมอย่างมากจากปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอ) แต่มนุษย์ก็ได้เรียนรู้ที่จะก่อให้เกิดปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงเช่นกัน: สร้างขึ้น ระเบิดไฮโดรเจนเทคโนโลยีปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ที่ควบคุมได้รับการออกแบบและปรับปรุง

ฟิสิกส์มาถึงแนวคิดเรื่องการมีอยู่ของปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงระหว่างการศึกษาโครงสร้างของนิวเคลียสของอะตอม แรงบางอย่างต้องยึดโปรตอนที่มีประจุบวกไว้ในนิวเคลียส เพื่อป้องกันไม่ให้โปรตอนลอยออกไปภายใต้อิทธิพลของแรงผลักไฟฟ้าสถิต แรงโน้มถ่วงอ่อนเกินไปที่จะให้สิ่งนี้ เห็นได้ชัดว่าจำเป็นต้องมีปฏิสัมพันธ์บางอย่างและแข็งแกร่งกว่าแม่เหล็กไฟฟ้า ต่อมาถูกค้นพบและเรียกว่า “ปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรง”

ปรากฎว่าแม้ว่าปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงจะมีขนาดเกินกว่าปฏิสัมพันธ์พื้นฐานอื่น ๆ ทั้งหมดอย่างมีนัยสำคัญ แต่ก็ไม่ได้รู้สึกนอกนิวเคลียส ปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงจะแสดงออกมาในระยะที่กำหนดโดยระยะทาง

มาตรการหลัก ได้แก่ ประมาณ 10-13 ซม. ฟังก์ชั่นหลักปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งในธรรมชาติ - การสร้างพันธะที่แข็งแกร่งระหว่างนิวคลีออน (โปรตอนและเซลล์ประสาท) ในนิวเคลียสของอะตอม ในกรณีนี้ การชนกันของนิวเคลียสหรือนิวคลีออนที่มีพลังงานสูงทำให้เกิดอาการต่างๆ ปฏิกิริยานิวเคลียร์รวมถึงปฏิกิริยา ฟิวชั่นแสนสาหัสบนดวงอาทิตย์ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานหลักบนโลก

ในขณะเดียวกัน ปรากฎว่าไม่ใช่ทุกอนุภาคจะมีปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรง ดังนั้นโปรตอนและนิวตรอนจึงประสบกับมัน แต่อิเล็กตรอน นิวตริโน และโฟตอนไม่อยู่ภายใต้มัน โดยปกติแล้วมีเพียงอนุภาคหนักเท่านั้นที่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยารุนแรง

คำอธิบายทางทฤษฎีเกี่ยวกับธรรมชาติของปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงนั้นยากต่อการพัฒนา ความก้าวหน้าเกิดขึ้นเฉพาะในช่วงต้นทศวรรษ 1960 เมื่อมีการเสนอแบบจำลองควาร์ก ในทฤษฎีนี้ นิวตรอนและโปรตอนไม่ถือเป็นอนุภาคมูลฐาน แต่เป็นระบบประกอบที่สร้างจากควาร์ก (ดู 10.3.2)

ดังนั้นในการโต้ตอบทางกายภาพขั้นพื้นฐาน จึงเห็นความแตกต่างระหว่างแรงในระยะไกลและระยะสั้นได้ชัดเจน ในด้านหนึ่ง ปฏิสัมพันธ์ของรัศมีไม่จำกัด (แรงโน้มถ่วง แม่เหล็กไฟฟ้า) และอีกด้านหนึ่ง ของรัศมีเล็ก (แรงและอ่อน) โลกแห่งกระบวนการทางกายภาพแผ่ออกไปภายในขอบเขตของขั้วทั้งสองนี้ และรวบรวมความเป็นเอกภาพของโลกที่เล็กมากและใหญ่มาก - โลกใบเล็กและโลกขนาดใหญ่ อนุภาคมูลฐานและจักรวาลทั้งหมด

10.1.6. ปัญหาความสามัคคีของฟิสิกส์

ความรู้คือการสรุปความเป็นจริงโดยทั่วไป ดังนั้นเป้าหมายของวิทยาศาสตร์คือการค้นหาความสามัคคีในธรรมชาติ โดยเชื่อมโยงความรู้ที่กระจัดกระจายเป็นภาพเดียว เพื่อที่จะสร้างดังกล่าว ระบบแบบครบวงจรคุณต้องเปิดส่วนลึก ลิงค์ระหว่าง อุตสาหกรรมต่างๆความรู้. การค้นหาความเชื่อมโยงดังกล่าวเป็นหนึ่งในภารกิจหลักของการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ เมื่อใดก็ตามที่เป็นไปได้ที่จะสร้างการเชื่อมโยงใหม่ๆ ดังกล่าว ความเข้าใจเกี่ยวกับโลกโดยรอบจะลึกซึ้งยิ่งขึ้นอย่างมาก วิธีการรู้ใหม่ๆ จะเกิดขึ้นเพื่อชี้ทางไปสู่ปรากฏการณ์ที่ไม่เคยมีใครรู้จักมาก่อน

การสร้างการเชื่อมโยงอย่างลึกซึ้งระหว่างพื้นที่ต่างๆ ของธรรมชาติเป็นทั้งการสังเคราะห์ความรู้และ วิธีการใหม่, นำทาง การวิจัยทางวิทยาศาสตร์บนถนนที่ไม่แพ้ใคร ดังนั้นการระบุความสัมพันธ์ระหว่างแรงดึงดูดของวัตถุในสภาพโลกกับการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ของนิวตันจึงเป็นที่มาของกลศาสตร์คลาสสิกบนพื้นฐานของการสร้างพื้นฐานทางเทคโนโลยีของอารยธรรมสมัยใหม่ การสร้างความสัมพันธ์ระหว่างคุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์ของก๊าซกับการเคลื่อนที่ของโมเลกุลที่วุ่นวายทำให้ทฤษฎีอะตอมและโมเลกุลของสสารอยู่บนพื้นฐานที่มั่นคง ในช่วงกลางศตวรรษที่ผ่านมา Maxwell ได้สร้างซิงเกิล ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าครอบคลุมทั้งปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าและแม่เหล็ก จากนั้นในช่วงทศวรรษที่ 1920 ไอน์สไตน์พยายามรวมแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงโน้มถ่วงเข้าด้วยกันเป็นทฤษฎีเดียว

แต่เมื่อถึงกลางศตวรรษที่ 20 สถานการณ์ในฟิสิกส์เปลี่ยนไปอย่างสิ้นเชิง: มีการค้นพบปฏิสัมพันธ์พื้นฐานใหม่สองประการ - แข็งแกร่งและอ่อนแอ เมื่อสร้าง ฟิสิกส์แบบครบวงจรเราไม่จำเป็นต้องคำนึงถึงสองอีกต่อไป แต่ต้องมีปฏิสัมพันธ์พื้นฐานสี่อย่าง สิ่งนี้ทำให้ความกระตือรือร้นของผู้ที่หวังวิธีแก้ปัญหาความสามัคคีของฟิสิกส์ลดลงบ้าง อย่างไรก็ตาม แผนดังกล่าวไม่ได้ถูกตั้งคำถามอย่างจริงจัง

ในฟิสิกส์ทฤษฎีสมัยใหม่ มุมมองที่โดดเด่นคือปฏิสัมพันธ์ทั้งสี่ (หรืออย่างน้อยสามอย่าง) เป็นปรากฏการณ์ที่มีลักษณะเดียวกัน และสามารถพบได้ในธรรมชาติที่เป็นหนึ่งเดียวกัน คำอธิบายทางทฤษฎี- ความคาดหวังในการสร้างทฤษฎีที่เป็นเอกภาพของโลกขององค์ประกอบทางกายภาพ (บนพื้นฐานของปฏิสัมพันธ์พื้นฐานเดียว) ถือเป็นอุดมคติสูงสุดของฟิสิกส์ยุคใหม่ นี้ ความฝันหลักนักฟิสิกส์ แต่เป็นเวลานานมันยังคงเป็นเพียงความฝันและเป็นสิ่งที่คลุมเครือมาก

อย่างไรก็ตามในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ 20 มีข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับการบรรลุความฝันและความมั่นใจว่านี่ไม่ใช่เรื่องของอนาคตอันไกลโพ้น ดูเหมือนว่ามันจะกลายเป็นความจริงในไม่ช้า ขั้นตอนที่ชี้ขาดไปสู่ทฤษฎีที่เป็นเอกภาพเกิดขึ้นในช่วงทศวรรษปี 1960 และ 1970 ด้วยการสร้างทฤษฎีควาร์กเป็นอันดับแรก จากนั้นจึงสร้างทฤษฎีปฏิสัมพันธ์อิเล็กโทรอ่อนแอ มีเหตุผลที่ทำให้เชื่อได้ว่าเรากำลังอยู่บนธรณีประตูของการรวมเป็นหนึ่งที่ทรงพลังและลึกซึ้งยิ่งกว่าที่เคยเป็นมา มีความเชื่อเพิ่มขึ้นในหมู่นักฟิสิกส์ว่าโครงร่างของทฤษฎีที่เป็นหนึ่งเดียวของปฏิสัมพันธ์ระหว่างแรง, อ่อนแอ และแม่เหล็กไฟฟ้า—การรวมใหญ่—กำลังเริ่มปรากฏให้เห็น และอีกไม่นานก็จะมีทฤษฎีที่เป็นหนึ่งเดียวกันของการโต้ตอบพื้นฐานทั้งหมด นั่นคือ แรงโน้มถ่วงยิ่งยวด

10.2. การจำแนกประเภทของอนุภาคมูลฐาน

10.2.1. ลักษณะของอนุภาคมูลฐาน

ในศตวรรษที่ 20 โดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่วงครึ่งหลังมีการค้นพบชั้นลึกใหม่ขององค์กรโครงสร้างของสสาร - โลกแห่งอนุภาคมูลฐาน อย่างไรก็ตาม ชื่อนี้ไม่ถูกต้องนัก ใต้อนุภาคมูลฐานเข้า ค่าที่แน่นอนเข้าใจเพิ่มเติมถึง "ส่วนประกอบ" ที่ไม่สามารถย่อยสลายได้ของสสารที่ประกอบเป็นโครงสร้างโครงสร้าง ในความเป็นจริงอนุภาคที่ค้นพบส่วนใหญ่กลายเป็นรูปแบบที่เป็นระบบซึ่งประกอบด้วยอนุภาคมูลฐานมากกว่านั้นอีก ดังนั้นจึงถูกต้องมากกว่าที่จะกล่าวว่า "โลกของอนุภาคมูลฐานเป็นระดับพิเศษของการจัดระเบียบของสสาร - สสารใต้นิวเคลียร์จากรูปแบบที่นิวเคลียสและอะตอมของสสารมีโครงสร้างสนามทางกายภาพ แต่เนื่องจากคำว่า "อนุภาคมูลฐาน" ถูกสร้างขึ้นและใช้กันอย่างแพร่หลาย เราจะใช้คำนี้ในความหมายของ "สสารใต้นิวเคลียร์"

การศึกษาอนุภาคมูลฐานแสดงให้เห็นว่าพวกมันเกิดและถูกทำลายเมื่อมีอันตรกิริยากับอนุภาคมูลฐานอื่นๆ นอกจากนี้พวกมันยังสามารถสลายตัวได้เอง การเปลี่ยนแปลงทั้งหมดของอนุภาค (การเน่าเปื่อย การเกิด การทำลาย) เกิดขึ้นได้จากการดูดซับและการปล่อยอนุภาคอย่างต่อเนื่อง

คุณสมบัติของอนุภาคมูลฐานมีความหลากหลาย ดังนั้นแต่ละอนุภาคจึงมีปฏิปักษ์ของตัวเองซึ่งแตกต่างไปจากเพียงสัญลักษณ์ของประจุเท่านั้น สำหรับอนุภาคที่มีค่าเป็นศูนย์ของประจุทั้งหมด ปฏิปักษ์จะเกิดขึ้นพร้อมกับอนุภาค (เช่น โฟตอน) อนุภาคมูลฐานแต่ละตัวมีลักษณะเฉพาะด้วยชุดค่าของปริมาณทางกายภาพที่แน่นอน ปริมาณเหล่านี้ได้แก่ มวล ประจุไฟฟ้า การหมุน อายุการใช้งานของอนุภาค ช่วงเวลาแม่เหล็ก, ความเท่าเทียมกันเชิงพื้นที่, ประจุเลปตัน, ประจุแบริออน ฯลฯ

ลักษณะทั่วไปของอนุภาคทั้งหมด: มวล อายุการใช้งาน การหมุน เมื่อพูดถึงมวลของอนุภาค พวกเขาหมายถึงมวลนิ่งของมัน เนื่องจากมันไม่ได้ขึ้นอยู่กับสถานะการเคลื่อนที่ อนุภาคที่มีมวลนิ่งเป็นศูนย์จะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสง (โฟตอน) ไม่มีอนุภาคสองตัวที่มีมวลเท่ากัน อิเล็กตรอนเป็นอนุภาคที่เบาที่สุดและมีมวลนิ่งที่ไม่เป็นศูนย์ โปรตอนและนิวตรอนหนักกว่าอิเล็กตรอนเกือบ 2,000 เท่า และอนุภาคมูลฐานที่หนักที่สุดที่ผลิตในเครื่องเร่งปฏิกิริยา (Z-boson) มีมวลมากกว่ามวลอิเล็กตรอนถึง 200,000 เท่า

ลักษณะสำคัญของอนุภาคคือการหมุน ซึ่งเป็นโมเมนตัมเชิงมุมของอนุภาคเอง ดังนั้นโปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอนจึงมีการหมุนรอบตัวเอง 1/2 และการหมุนของโฟตอนคือ 1 อนุภาคที่มีการหมุนรอบตัวเอง 0.3/2.2 เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้ว อนุภาคที่มีการหมุน 0 จะมีลักษณะเหมือนกันไม่ว่าจะหมุนมุมใดก็ตาม อนุภาคที่มีการหมุนรอบที่ 1 จะมีรูปแบบเดียวกันหลังจากหมุนครบ 360° อนุภาคที่มีการหมุน 1/2 จะมีลักษณะเหมือนเดิมหลังจากการหมุน 720° เป็นต้น อนุภาคที่มีการหมุน 2 (กราวิตอนสมมุติ) จะกลับสู่ตำแหน่งก่อนหน้าหลังจากผ่านไปครึ่งรอบ (180°) อนุภาคทั้งหมดจะถูกแบ่งออกเป็นสองกลุ่มขึ้นอยู่กับการหมุน: โบซอน - อนุภาคที่มีจำนวนเต็มหมุน 0, 1 และ 2; เฟอร์มิออนเป็นอนุภาคที่มีการหมุนเป็นครึ่งจำนวนเต็ม (1/2, 3/2) อนุภาคที่มีการหมุนมากกว่า 2 อาจไม่มีอยู่เลย

อนุภาคยังมีลักษณะเฉพาะตามอายุการใช้งานอีกด้วย ตามเกณฑ์นี้ อนุภาคจะถูกแบ่งออกเป็นเสถียรและไม่เสถียร อนุภาคที่เสถียร ได้แก่ อิเล็กตรอน โปรตอน โฟตอน และนิวตริโน (คำถามเกี่ยวกับเสถียรภาพของโปรตอนยังไม่ได้รับการแก้ไขอย่างสมบูรณ์ เป็นไปได้ว่าโปรตอนจะสลายตัวใน t = 1,031 ปี) นิวตรอนจะเสถียรเมื่ออยู่ในนิวเคลียสของอะตอม แต่นิวตรอนอิสระจะสลายตัวในเวลาประมาณ 15 นาที อนุภาคอื่นๆ ที่รู้จักทั้งหมดไม่เสถียร อายุการใช้งานอยู่ในช่วงตั้งแต่ไม่กี่ไมโครวินาทีถึง 10-24 วินาที อนุภาคที่ไม่เสถียรที่สุดคือเสียงสะท้อน อายุขัยของพวกเขาคือ 10-22—10-24 วินาที

กฎการอนุรักษ์มีบทบาทสำคัญในฟิสิกส์ของอนุภาคมูลฐานซึ่งสร้างความเท่าเทียมกันระหว่างการรวมกันของปริมาณบางอย่างที่กำหนดลักษณะเฉพาะของสถานะเริ่มต้นและขั้นสุดท้ายของระบบ คลังแสงของกฎการอนุรักษ์ในฟิสิกส์ควอนตัมนั้นยิ่งใหญ่กว่าในฟิสิกส์คลาสสิก มันถูกเติมเต็มด้วยกฎการอนุรักษ์ของความเท่าเทียมกัน (เชิงพื้นที่, ประจุ), ประจุ (leptonic, แบริออน ฯลฯ ) ลักษณะสมมาตรภายในของการโต้ตอบประเภทใดประเภทหนึ่ง ยิ่งไปกว่านั้น ยิ่งปฏิสัมพันธ์รุนแรงมากขึ้นเท่าไร กฎหมายการอนุรักษ์ก็จะยิ่งสอดคล้องกับมากขึ้นเท่านั้น กล่าวคือ นอกจากนี้ยังมีความสมมาตร ในฟิสิกส์ควอนตัม กฎการอนุรักษ์มักเป็นกฎห้ามเสมอ แต่หากกฎหมายอนุรักษ์อนุญาตให้มีกระบวนการบางอย่างได้ ก็จำเป็นต้องเกิดขึ้นในความเป็นจริง

จุดสุดยอดของการพัฒนาแนวคิดเกี่ยวกับกฎการอนุรักษ์ในฟิสิกส์ควอนตัมคือแนวคิดเรื่องการทำลายสมมาตรที่เกิดขึ้นเอง เช่น การมีอยู่ของวิธีแก้ปัญหาแบบอสมมาตรที่เสถียรสำหรับปัญหาบางประเภท ในช่วงทศวรรษที่ 1960 การละเมิดที่เรียกว่าการรวมกัน

ความชัดเจน กล่าวอีกนัยหนึ่ง พบว่าในโลกใบเล็กมีความแตกต่างอย่างสิ้นเชิงระหว่างอนุภาคและปฏิอนุภาคระหว่าง "ขวา" และ "ซ้าย" ระหว่างอดีตและอนาคต (ลูกศรของเวลาหรือการย้อนกลับไม่ได้ของไมโครโพรเซสเซอร์ และไม่ใช่แค่แมคโครโพรเซสเท่านั้น ).

การแยกตัวและความรู้เกี่ยวกับคุณลักษณะของอนุภาคมูลฐานแต่ละอนุภาคเป็นสิ่งสำคัญ แต่เป็นเพียงระยะเริ่มต้นของการทำความเข้าใจโลกของพวกมันเท่านั้น ในขั้นต่อไป เรายังต้องเข้าใจว่าแต่ละอนุภาคมีบทบาทอย่างไร และมีหน้าที่อะไรในโครงสร้างของสสาร

นักฟิสิกส์ได้พบว่าประการแรก คุณสมบัติของอนุภาคนั้นถูกกำหนดโดยความสามารถ (หรือการไร้ความสามารถ) ของมันในการมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาที่รุนแรง อนุภาคที่มีปฏิสัมพันธ์รุนแรงจะก่อตัวเป็นคลาสพิเศษและเรียกว่าฮาดรอน อนุภาคที่มีปฏิกิริยาโต้ตอบแบบอ่อนเป็นส่วนใหญ่และไม่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยาที่รุนแรงเรียกว่าเลปตัน นอกจากนี้ยังมีอนุภาคที่เป็นพาหะของการโต้ตอบอีกด้วย

พิจารณาคุณสมบัติของอนุภาคประเภทหลักเหล่านี้

10.2.2. เลปตันส์

เลปตันมีพฤติกรรมเหมือนวัตถุปลายแหลม โดยไม่แสดงโครงสร้างภายในแม้จะใช้พลังงานสูงเป็นพิเศษก็ตาม ดูเหมือนจะเป็นวัตถุเบื้องต้น (ในความหมายที่เหมาะสมของคำ) เช่น มันไม่ได้ทำจากอนุภาคอื่นใด แม้ว่าเลปตันอาจมีหรือไม่มีประจุไฟฟ้า แต่พวกมันทั้งหมดมีการหมุน 1/2

ในบรรดาเลปตัน สิ่งที่มีชื่อเสียงที่สุดคืออิเล็กตรอน อิเล็กตรอนเป็นอนุภาคมูลฐานตัวแรกที่ถูกค้นพบ อิเล็กตรอนเป็นพาหะของมวลที่เล็กที่สุดและมีประจุไฟฟ้าที่เล็กที่สุด (ไม่นับควาร์ก) ในธรรมชาติ

เลปตันที่รู้จักกันดีอีกชนิดหนึ่งคือนิวตริโน นิวตริโนพร้อมกับโฟตอนเป็นอนุภาคที่พบมากที่สุดในจักรวาล สามารถจินตนาการถึงเอกภพได้ว่าเป็นมหาสมุทรโฟตอน-นิวตริโนที่ไร้ขอบเขต ซึ่งบางครั้งอาจพบเกาะแห่งอะตอมมากมาย แต่ถึงแม้จะมีความชุกของนิวทริโน แต่ก็ยากที่จะศึกษา ดังที่เราได้กล่าวไปแล้ว นิวตริโนแทบจะเข้าใจยากและมีพลังทะลุทะลวงมหาศาล โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่พลังงานต่ำ พวกมันทะลุผ่านสสารราวกับว่าไม่ได้อยู่ที่นั่นเลยโดยไม่ได้มีส่วนร่วมในปฏิกิริยาที่รุนแรงหรือทางแม่เหล็กไฟฟ้า นิวตริโนเป็น "ผี" บางชนิด โลกทางกายภาพ- ในอีกด้านหนึ่งสิ่งนี้ทำให้การตรวจจับมีความซับซ้อนและในทางกลับกันก็สร้างโอกาสในการศึกษาโครงสร้างภายในของดวงดาว นิวเคลียสของกาแลคซี ควาซาร์ ฯลฯ

หน้าที่น่าสนใจหน้าหนึ่งในประวัติศาสตร์การศึกษานิวตริโนเกี่ยวข้องกับคำถามเกี่ยวกับมวลของนิวตริโนว่านิวตริโนมีหรือไม่มีมวลนิ่ง ทฤษฎีนี้อนุญาตให้นิวตริโนสามารถมีมวลนิ่งเล็กน้อยได้ ซึ่งต่างจากโฟตอน ถ้านิวตริโนมีมวลนิ่งจริงๆ (ประมาณจาก 0.1 eV ถึง 10 eV) ก็จะส่งผลกระทบพื้นฐานในทฤษฎีการรวมเป็นหนึ่งเดียว จักรวาลวิทยา และฟิสิกส์ดาราศาสตร์ “การไล่ล่า” ของนักฟิสิกส์เพื่อตามหามวลของอนุภาคที่เข้าใจยากซึ่งดำเนินมาเกือบ 60 ปีดูเหมือนว่าจะสิ้นสุดลงแล้ว มีเหตุผลที่เชื่อได้ว่าในที่สุดปัญหาจะได้รับการแก้ไขที่ศูนย์ทดลองแห่งใหม่ (ญี่ปุ่น อิตาลี) ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า

มิวออนค่อนข้างแพร่หลายในธรรมชาติ โดยมีส่วนสำคัญของรังสีคอสมิก มิวออนเป็นหนึ่งในอนุภาคย่อยของอะตอมที่ไม่เสถียรชนิดแรกที่ค้นพบในปี พ.ศ. 2479 มิวออนมีลักษณะคล้ายกับอิเล็กตรอนทุกประการ โดยมีประจุและการหมุนเท่ากัน มีส่วนร่วมในปฏิกิริยาเดียวกัน แต่มีมวลมากกว่าและไม่เสถียร ในเวลาประมาณสองในล้านของวินาที มิวออนจะสลายตัวเป็นอิเล็กตรอนหนึ่งตัวและนิวตริโนสองตัว มิวออนที่แทรกซึมเข้าไปในสสารจะมีปฏิกิริยากับนิวเคลียสและอิเล็กตรอนของอะตอมและก่อตัวเป็นสารประกอบที่ผิดปกติ มิวออนเชิงบวกที่ยึดอิเล็กตรอนเข้ากับตัวเองก่อให้เกิดระบบที่คล้ายกับอะตอมไฮโดรเจน - มิวเนียมซึ่งคุณสมบัติทางเคมีมีความคล้ายคลึงกับคุณสมบัติของไฮโดรเจนหลายประการ และมิวออนที่เป็นลบสามารถแทนที่อิเล็กตรอนตัวหนึ่งบนเปลือกอิเล็กตรอน ทำให้เกิดสิ่งที่เรียกว่ามีโซอะตอม ในเมโซอะตอม มิวออนจะอยู่ใกล้กับนิวเคลียสมากกว่าอิเล็กตรอนหลายร้อยเท่า ช่วยให้สามารถใช้เมโซอะตอมเพื่อศึกษารูปร่างและขนาดของนิวเคลียสได้

ในช่วงปลายทศวรรษ 1970 พบเลปตันประจุตัวที่สาม เรียกว่า เทาเลปตัน นี่เป็นอนุภาคที่หนักมาก มวลของมันอยู่ที่ประมาณ 3,500 ของอิเล็กตรอน แต่ในแง่อื่น ๆ มันจะมีพฤติกรรมเหมือนอิเล็กตรอนและมิวออน

รายชื่อเลปตอนขยายตัวอย่างมากในคริสต์ทศวรรษ 1960 พบว่ามีนิวตริโนอยู่หลายประเภท ได้แก่ นิวตริโนอิเล็กตรอน มิวออนนิวตริโน และเมย์นิวตริโน ดังนั้น จำนวนนิวทริโนพันธุ์ทั้งหมดคือ 3 ชนิด และจำนวนเลปตันทั้งหมดคือ 6 ชนิด แน่นอนว่าเลปตันแต่ละตัวมีปฏิภาคของมันเอง ดังนั้นจำนวนเลปตอนที่แตกต่างกันทั้งหมดคือ 12 ตัว เลปตันที่เป็นกลางมีส่วนร่วมในปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอเท่านั้น มีประจุ - ในจุดอ่อนและแม่เหล็กไฟฟ้า (ดูตาราง)

10.2.3. ฮาดรอนส์

หากมีเลปตันเพียง 12 ตัว ก็จะมีแฮดรอนเป็นร้อยๆ ตัว ส่วนใหญ่เป็นเสียงสะท้อนเช่น อนุภาคที่ไม่เสถียรอย่างยิ่ง ความจริงที่ว่าฮาดรอนมีหลายร้อยอันแสดงให้เห็นว่าฮาดรอนนั้นถูกสร้างขึ้นมามากกว่านั้น อนุภาคละเอียด.

ฮาดรอนทั้งหมดมีอยู่สองประเภท - มีประจุไฟฟ้าและเป็นกลาง ฮาดรอนที่มีชื่อเสียงและแพร่หลายที่สุดคือนิวตรอนและโปรตอน ฮาดรอนที่เหลือจะสลายตัวอย่างรวดเร็ว Hadrons แบ่งออกเป็นสองประเภท นี่คือประเภทของแบริออน (อนุภาคหนัก) (โปรตอน นิวตรอน ไฮเปอร์รอน และแบริออนเรโซแนนซ์) และตระกูลมีซอนเบากว่าตระกูลใหญ่ (มิวออน เสียงสะท้อนโบโซนิก ฯลฯ)

การดำรงอยู่และคุณสมบัติของแฮดรอนที่รู้จักส่วนใหญ่ถูกสร้างขึ้นในการทดลองเครื่องเร่งความเร็ว การค้นพบฮาดรอนที่หลากหลายในช่วงทศวรรษปี 1950 และ 1960 นักฟิสิกส์งงมาก แต่เมื่อเวลาผ่านไป อนุภาคก็ถูกจำแนกตามมวล ประจุ และการหมุน ก็เริ่มมีภาพที่ชัดเจนมากขึ้นเรื่อยๆ มีแนวคิดเฉพาะเกี่ยวกับวิธีจัดระบบความสับสนวุ่นวายของข้อมูลเชิงประจักษ์และเปิดเผยความลึกลับของแฮดรอนในลักษณะองค์รวม ทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์- ขั้นตอนที่เด็ดขาดเกิดขึ้นในปี พ.ศ. 2506 เมื่อมีการเสนอแบบจำลองควาร์กของฮาดรอน

10.2.4. อนุภาคเป็นพาหะของปฏิกิริยา

รายชื่ออนุภาคที่รู้จักไม่ได้จำกัดอยู่เพียงเลปตันและฮาดรอนซึ่งเป็นวัสดุก่อสร้างของสสาร มีอนุภาคอีกประเภทหนึ่งที่ไม่ใช่วัสดุก่อสร้างของสสาร แต่ให้ปฏิกิริยาพื้นฐานโดยตรงเช่น ก่อตัวเป็น "กาว" ชนิดหนึ่งที่ป้องกันไม่ให้สสารหลุดออกจากกัน

พาหะของปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้าคือโฟตอน ทฤษฎีปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้าแสดงด้วยพลศาสตร์ไฟฟ้าควอนตัม (ดู 10.3.1)

กลูออน (มีแปดตัว) เป็นพาหะของปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงระหว่างควาร์ก อย่างหลังต้องขอบคุณกลูออนที่เชื่อมโยงกันเป็นคู่หรือแฝดสาม (ดู 10.3.2 และ 10.3.4)

พาหะของอันตรกิริยาอ่อนคืออนุภาคสามอนุภาค - W± และ Z° -โบซอน (ดู 10.3.3) พวกมันถูกค้นพบในปี 1983 เท่านั้น รัศมีของปฏิกิริยาที่อ่อนแอนั้นเล็กมาก ดังนั้นพาหะของมันจึงต้องเป็นอนุภาคที่มี ฝูงใหญ่ความสงบ. ตามหลักการความไม่แน่นอน อายุการใช้งานของอนุภาคที่มีมวลนิ่งมากควรสั้นมาก - เพียงประมาณ 10-26 วินาทีเท่านั้น

มีข้อเสนอแนะว่าการมีอยู่ของพาหะของสนามโน้มถ่วง (graviton) ก็เป็นไปได้เช่นกัน (ดู 10.1.2) เช่นเดียวกับโฟตอน กราวิตอนเดินทางด้วยความเร็วแสง ดังนั้นสิ่งเหล่านี้จึงเป็นอนุภาคที่มีมวลนิ่งเป็นศูนย์ แต่ในขณะที่โฟตอนหมุน 1 กราวิตอนก็หมุน 2 นี่ ความแตกต่างที่สำคัญกำหนดทิศทางของแรง: ระหว่างปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้า อนุภาคที่มีประจุคล้ายกัน (อิเล็กตรอน) จะผลักกัน และระหว่างปฏิกิริยาแรงโน้มถ่วง อนุภาคทั้งหมดจะถูกดึงดูดเข้าหากัน

เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งที่แต่ละกลุ่มของตัวพาปฏิสัมพันธ์เหล่านี้มีลักษณะเฉพาะโดยกฎหมายอนุรักษ์เฉพาะของตนเอง และกฎการอนุรักษ์แต่ละข้อสามารถแสดงเป็นการแสดงให้เห็นถึงความสมมาตรภายในของสมการสนาม (การเคลื่อนที่) สถานการณ์นี้ใช้เพื่อสร้างทฤษฎีที่เป็นเอกภาพของการโต้ตอบพื้นฐาน

การจำแนกประเภทของอนุภาคออกเป็นฮาดรอน เลปตัน และพาหะของปฏิกิริยา ทำให้โลกของอนุภาคใต้นิวเคลียร์ที่เรารู้จักหมดสิ้น อนุภาคแต่ละชนิดมีบทบาทในการก่อตัวของโครงสร้างของสสารซึ่งก็คือจักรวาล

10.3. ทฤษฎีอนุภาค

10.3.1. ไฟฟ้าพลศาสตร์ควอนตัม

กลศาสตร์ควอนตัมช่วยให้เราสามารถอธิบายการเคลื่อนที่ของอนุภาคมูลฐานได้ แต่ไม่ใช่การสร้างหรือการทำลายล้าง เช่น ใช้เพื่ออธิบายระบบที่มีจำนวนอนุภาคคงที่เท่านั้น ลักษณะทั่วไปของกลศาสตร์ควอนตัมคือทฤษฎีสนามควอนตัม - นี่คือทฤษฎีของระบบด้วย จำนวนอนันต์องศาอิสระ (สนามฟิสิกส์) โดยคำนึงถึงข้อกำหนดของทั้งกลศาสตร์ควอนตัมและทฤษฎีสัมพัทธภาพ ความจำเป็นสำหรับทฤษฎีดังกล่าวถูกสร้างขึ้นโดยความเป็นทวินิยมของคลื่นควอนตัมหรือการดำรงอยู่ คุณสมบัติของคลื่นสำหรับทุกอนุภาค ในทฤษฎีสนามควอนตัม ปฏิสัมพันธ์จะแสดงเป็นผลจากการแลกเปลี่ยนควอนตัมสนาม และปริมาณสนามจะถูกประกาศโดยตัวดำเนินการที่เกี่ยวข้องกับการเกิดและการทำลายของควอนตัมสนาม กล่าวคือ อนุภาค

ในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 มีการสร้างทฤษฎีปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้า - พลศาสตร์ไฟฟ้าควอนตัม (QED) นี่คือทฤษฎีปฏิสัมพันธ์ของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าและอนุภาคที่มีประจุ เช่นเดียวกับอนุภาคที่มีประจุ (โดยหลักแล้วคืออิเล็กตรอนหรือโพซิตรอน) ซึ่งกันและกัน คิดออกมาในรายละเอียดที่เล็กที่สุดและติดตั้งเครื่องมือทางคณิตศาสตร์ที่สมบูรณ์แบบ ทฤษฎีนี้เป็นไปตามหลักการพื้นฐานของทั้งทฤษฎีควอนตัมและทฤษฎีสัมพัทธภาพ

ใน QED เพื่ออธิบายปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้า แนวคิดของโฟตอนเสมือนถูกนำมาใช้ ซึ่ง "มองเห็น" ได้จากอนุภาคที่มีประจุที่กระเจิงเท่านั้น ถ้าอธิบายแบบคลาสสิกว่าอิเล็กตรอนถูกแสดงเป็นลูกบอลจุดแข็ง ดังนั้นใน QED สนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่อยู่รอบ ๆ อิเล็กตรอนจะถือว่าเป็นกลุ่มเมฆของโฟตอนเสมือนที่ติดตามอิเล็กตรอนอย่างไม่หยุดยั้ง และล้อมรอบมันด้วยควอนตัมพลังงาน โฟตอนปรากฏขึ้นและหายไปอย่างรวดเร็ว และอิเล็กตรอนไม่เคลื่อนที่ในอวกาศตามวิถีที่กำหนดไว้อย่างชัดเจน คุณยังสามารถกำหนดค่าเริ่มต้นและ จุดสิ้นสุดเส้นทาง - ก่อนและหลังการกระเจิง แต่เส้นทางในช่วงระหว่างจุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดของการเคลื่อนไหวยังคงไม่แน่นอน

ตัวอย่างเช่น ลองพิจารณาการปล่อยโฟตอน (เสมือน) ออกมาจากอิเล็กตรอน หลังจากที่อิเล็กตรอนปล่อยโฟตอนออกมา มันจะสร้างคู่อิเล็กตรอน-โพซิตรอน (เสมือน) ซึ่งสามารถทำลายล้างเพื่อสร้างโฟตอนใหม่ได้ อย่างหลังสามารถดูดซับโดยอิเล็กตรอนดั้งเดิม แต่สามารถสร้างได้ คู่ใหม่ฯลฯ ดังนั้นอิเล็กตรอนจึงถูกปกคลุมไปด้วยเมฆโฟตอน อิเล็กตรอน และโพซิตรอนเสมือน ซึ่งอยู่ในสภาวะสมดุลไดนามิก

ใน QED ปฏิสัมพันธ์ของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าและอนุภาคที่มีประจุจะปรากฏในรูปแบบของการปล่อยและการดูดกลืนโฟตอนเสมือนจากอนุภาค และปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคมีประจุถูกตีความว่าเป็นผลมาจากการแลกเปลี่ยนโฟตอน โดยอนุภาคที่มีประจุแต่ละอนุภาคจะปล่อยโฟตอนออกมา ซึ่งจากนั้นจะถูกดูดซับโดยอนุภาคที่มีประจุอีกตัวหนึ่ง นอกจากนี้ QED ยังพิจารณาผลกระทบที่ไม่มีอยู่ในพลศาสตร์ไฟฟ้าแบบคลาสสิกด้วย ประการแรก นี่คือผลของการกระเจิงของแสงด้วยแสง กล่าวคือ ปฏิสัมพันธ์ของโฟตอนซึ่งกันและกัน จากมุมมองของ QED การกระเจิงดังกล่าวเกิดขึ้นได้เนื่องจากปฏิกิริยาของโฟตอนกับความผันผวนของสุญญากาศอิเล็กตรอน-โพซิตรอน และประการที่สอง QED ทำนายการเกิดของคู่อนุภาค-ปฏิปักษ์ในสนามแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงโน้มถ่วงที่รุนแรง ซึ่งในนั้นอาจมีนิวคลีออน-แอนตินิวคลีออนด้วย

QED ได้รับการทดสอบในการทดลองที่ละเอียดอ่อนมากหลายครั้ง การทำนายทางทฤษฎีและผลการทดสอบเชิงทดลองตรงกัน ความแม่นยำสูงสุด- บางครั้งอาจมีทศนิยมถึงเก้าตำแหน่ง จดหมายโต้ตอบที่โดดเด่นดังกล่าวให้สิทธิ์ในการพิจารณา QED ที่ทันสมัยที่สุดที่มีอยู่ ทฤษฎีวิทยาศาสตร์ธรรมชาติ- สำหรับการสร้าง QED นั้น S. Tomonaga, R. Feynman และ J. Schwinger ได้รับรางวัลโนเบลในปี 1965 นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีที่โดดเด่นของเรา L.D. ลันเดา.

หลังจากชัยชนะนี้ QED ถูกนำมาใช้เป็นแบบจำลองสำหรับคำอธิบายควอนตัมของการโต้ตอบพื้นฐานอีกสามรายการ (แน่นอนว่า ช่องที่เกี่ยวข้องกับปฏิสัมพันธ์อื่นๆ จะต้องสอดคล้องกับอนุภาคพาหะอื่นๆ) ในปัจจุบัน QED ทำหน้าที่เป็นส่วนสำคัญของ ทฤษฎีทั่วไป- ทฤษฎีรวมของอันตรกิริยาอ่อนและแม่เหล็กไฟฟ้า (ดู 10.3.3)

10.3.2. ทฤษฎีควาร์ก

ทฤษฎีควาร์กเป็นทฤษฎีโครงสร้างของฮาดรอน แนวคิดหลักของทฤษฎีนี้ง่ายมาก: ฮาดรอนทั้งหมดถูกสร้างขึ้นจากอนุภาคขนาดเล็ก - ควาร์ก ควาร์กมีประจุไฟฟ้าแบบเศษส่วน ซึ่งเป็น -1/3 หรือ +2/3 ของประจุอิเล็กตรอน ควาร์กสองและสามรวมกันสามารถมีประจุสุทธิได้ เท่ากับศูนย์หรือหน่วย. ควาร์กทั้งหมดมีการหมุน 1/2 ดังนั้นพวกมันจึงจัดเป็นเฟอร์มิออน ผู้ก่อตั้งทฤษฎีควาร์กคือ Gell-Mann และ Zweig เพื่อนำมาพิจารณาทุกสิ่งที่รู้จักในทศวรรษ 1960 ฮาดรอนแนะนำควาร์กสามประเภท (รสชาติ): และ (จากบน - บน), d (จากล่าง - ล่าง) และ s (จากแปลก - แปลก)

1 คำว่า "ควาร์ก" ถูกเลือกโดยพลการ ในนวนิยาย Finnegans Wake โดย J. Joyce พระเอกมีความฝันที่นกนางนวลวิ่งข้ามทะเลที่มีพายุตะโกนด้วยเสียงอันเฉียบคม: "สามควาร์กเพื่อมิสเตอร์มาร์ก!" แนวทางนี้สอดคล้องกับธรรมชาติที่เป็นนามธรรมอย่างยิ่งของแนวคิดของทฤษฎีฟิสิกส์สมัยใหม่

นอกจากนี้ ควาร์กแต่ละตัวยังมีประจุไฟฟ้าแบบอะนาล็อกซึ่งทำหน้าที่เป็นแหล่งกำเนิดของสนามกลูออน มันถูกเรียกว่าสี หากสนามแม่เหล็กไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นโดยประจุเพียงประเภทเดียว สนามกลูออนที่ซับซ้อนกว่าจะถูกสร้างขึ้นด้วยประจุสีที่แตกต่างกันสามประจุ ควาร์กแต่ละตัวมี "สี" ในหนึ่งในสาม สีที่เป็นไปได้ซึ่ง (โดยพลการ) เรียกว่าสีแดงเขียวและน้ำเงิน ดังนั้นแอนติควาร์กจึงต่อต้านสีแดง ต่อต้านสีเขียว และต่อต้านสีน้ำเงิน

1 เช่นเดียวกับคำว่า "ควาร์ก" คำว่า "สี" ในที่นี้ถูกเลือกโดยพลการและไม่เกี่ยวข้องกับสีธรรมดา

ควาร์กสามารถรวมเข้าด้วยกันได้ด้วยวิธีใดวิธีหนึ่งที่เป็นไปได้: ในแฝดสามหรือคู่ควาร์ก-แอนติควาร์ก อนุภาคที่ค่อนข้างหนัก (แบริออน) ประกอบด้วยควาร์กสามตัว แบริออนที่มีชื่อเสียงที่สุดคือนิวตรอนและโปรตอน ตัวอย่างเช่น โปรตอนประกอบด้วยยู-ควาร์ก 2 ตัว และ d-ควาร์ก 1 ตัว (uud) และนิวตรอน 1 ตัวประกอบด้วย d-ควาร์ก 2 ตัว และยู-ควาร์ก 1 ตัว (udd) คู่ควาร์ก-แอนติควาร์กที่เบากว่าก่อตัวเป็นอนุภาคที่เรียกว่ามีซอน ตัวอย่างเช่น ไพมีซอนที่เป็นบวกประกอบด้วย u-quark และ dµ-quark และ pi-meson ที่เป็นลบประกอบด้วย u mac-quark และ d-quark เพื่อไม่ให้ควาร์ก "ทั้งสาม" นี้สลายตัว จำเป็นต้องมีแรงยึดเหนี่ยวหรือ "กาว" ชนิดหนึ่ง และ "ประจุสี" ของควาร์กได้รับการชดเชยโดยรวม ดังนั้นฮาดรอนจึงกลายเป็น "สีขาว" (หรือไม่มีสี)

ปรากฎว่าปฏิสัมพันธ์ระหว่างนิวตรอนและโปรตอนในนิวเคลียสเป็นผลตกค้างของปฏิสัมพันธ์ที่ทรงพลังกว่าระหว่างควาร์กเอง สิ่งนี้อธิบายได้ว่าทำไมพลังที่แข็งแกร่งจึงดูซับซ้อนมาก และเหตุใดควาร์กอิสระจึงไม่ถูกค้นพบ เมื่อโปรตอน "เกาะติด" กับนิวตรอนหรือโปรตอนอื่น ปฏิสัมพันธ์จะเกี่ยวข้องกับควาร์ก 6 ตัว ซึ่งแต่ละอันมีปฏิสัมพันธ์กับตัวอื่นๆ ทั้งหมด พลังงานส่วนสำคัญถูกใช้ไปกับการ "ติด" ควาร์กสามตัวอย่างแน่นหนา และส่วนเล็ก ๆ ถูกใช้ไปกับการยึดควาร์กสองตัวเข้าด้วยกัน

ความจริงที่ว่าฮาดรอนที่รู้จักทั้งหมดสามารถหาได้จากการรวมกันของอนุภาคพื้นฐานทั้งสามชนิด นับเป็นชัยชนะของทฤษฎีควาร์ก แต่ในปี 1970 มีการค้นพบแฮดรอนใหม่ (อนุภาค psi, อัพไซลอนมีซอน ฯลฯ) สิ่งนี้กระทบอย่างรุนแรงต่อทฤษฎีควาร์กเวอร์ชันแรก เนื่องจากไม่มีที่ว่างสำหรับอนุภาคใหม่ในนั้น ทั้งหมด การรวมกันที่เป็นไปได้ของควาร์กและแอนติควาร์กได้หมดสิ้นลงแล้ว ปัญหาได้รับการแก้ไขด้วยการนำเสนอรสชาติใหม่สามรสชาติ พวกเขาถูกเรียกว่าเสน่ห์ (เสน่ห์) หรือด้วย; b (จากความงาม - ความงามหรือเสน่ห์) และ t (จากบน - บน)

ดังนั้นควาร์กจึงถูกรวมเข้าด้วยกันอันเป็นผลมาจากปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรง พาหะของอย่างหลังคือกลูออน (ประจุสี) สาขาฟิสิกส์ของอนุภาคที่ศึกษาปฏิสัมพันธ์ของควาร์กและกลูออนเรียกว่าควอนตัมโครโมไดนามิกส์ เช่นเดียวกับที่ไฟฟ้าพลศาสตร์ควอนตัมเป็นทฤษฎีของอันตรกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้า ควอนตัมโครโมไดนามิกส์ก็เป็นทฤษฎีของอันตรกิริยารุนแรง (ดู 10.3.4)

ในปัจจุบัน นักฟิสิกส์ส่วนใหญ่ถือว่าควาร์กเป็นอนุภาคมูลฐานอย่างแท้จริง ซึ่งมีลักษณะคล้ายจุด แบ่งแยกไม่ได้ และไม่มีโครงสร้างภายใน ในแง่นี้พวกมันมีลักษณะคล้ายเลปตัน และเชื่อกันมานานแล้วว่าจะต้องมีความสัมพันธ์อันลึกซึ้งระหว่างสองตระกูลที่แตกต่างกันแต่มีโครงสร้างคล้ายคลึงกัน

1 ในปี พ.ศ. 2512 มีความเป็นไปได้ที่จะได้รับหลักฐานทางกายภาพโดยตรงของการมีอยู่ของควาร์กในการทดลองหลายครั้งเกี่ยวกับการกระเจิงของอิเล็กตรอน (ถูกเร่งจนมีพลังงานสูง) โดยโปรตอน การทดลองแสดงให้เห็นว่าการกระเจิงของอิเล็กตรอนเกิดขึ้นราวกับว่าอิเล็กตรอนกระทบกับของแข็งเล็กๆ และกระเด็นออกไปในมุมที่น่าทึ่งที่สุด การรวมตัวกันที่เป็นของแข็งภายในโปรตอนถือเป็นควาร์ก
2 จริงอยู่ นักฟิสิกส์บางคน (เนื่องจากจำนวนควาร์กมีมากเกินไป) จึงถูกล่อลวงให้คิดว่าควาร์กประกอบด้วยอนุภาคที่เล็กกว่าด้วยซ้ำ

ดังนั้นในช่วงปลายศตวรรษที่ 20 จำนวนอนุภาคมูลฐานที่แท้จริงที่เป็นไปได้มากที่สุด (ไม่นับพาหะของปฏิกิริยาพื้นฐาน) คือ 48: เลปตัน (6.2) = 12 บวกควาร์ก (ข. 3) 2 = 36 อนุภาคทั้ง 48 ชนิดนี้ถือเป็น "ส่วนประกอบ" ที่แท้จริงของสสาร ซึ่งเป็นรากฐานของการจัดระเบียบทางวัตถุของโลก

10.3.3. ทฤษฎีปฏิสัมพันธ์ทางไฟฟ้าอ่อน

แนวคิดเรื่องสนามเกจและการทำลายสมมาตรที่เกิดขึ้นเอง ในช่วงทศวรรษที่ 1960 เหตุการณ์สำคัญเกิดขึ้นในวิทยาศาสตร์ธรรมชาติ: ปฏิสัมพันธ์พื้นฐานสองในสี่ของฟิสิกส์ถูกรวมเข้าเป็นหนึ่งเดียว ปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้าและปฏิกิริยาแบบอ่อน ซึ่งดูเหมือนจะแตกต่างกันมากโดยธรรมชาติ ปรากฏเป็นปฏิกิริยาแบบต่าง ๆ ของปฏิกิริยาทางไฟฟ้าอ่อนเพียงครั้งเดียว ภาพของปฏิสัมพันธ์พื้นฐานค่อนข้างง่ายขึ้น

ทฤษฎีปฏิสัมพันธ์ทางไฟฟ้าอ่อนในรูปแบบสุดท้ายถูกสร้างขึ้นโดยนักฟิสิกส์ที่ทำงานอิสระสองคน ได้แก่ S. Weinberg และ A. Salam ส่วนสำคัญของทฤษฎีนี้คือทฤษฎีปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอซึ่งได้รับการพัฒนาพร้อมกันและเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับทฤษฎีปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอทางไฟฟ้า

การสร้างทฤษฎีปฏิสัมพันธ์ระหว่างอิเล็กโทรอ่อนแอมีอิทธิพลอย่างลึกซึ้งและเด็ดขาดต่อการพัฒนาฟิสิกส์อนุภาคเบื้องต้นในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ 20 แนวคิดหลักของทฤษฎีนี้คือการอธิบายปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอในแง่ของแนวคิดของสนามเกจซึ่งเป็นกุญแจสำคัญคือแนวคิดเรื่องสมมาตร ควรสังเกตเป็นพิเศษที่นี่ว่าหนึ่งในแนวคิดพื้นฐานของฟิสิกส์ในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ 20 คือความเชื่อที่ว่าปฏิสัมพันธ์ทั้งหมดดำรงอยู่เพียงเพื่อรักษาชุดของสมมาตรเชิงนามธรรมในธรรมชาติเท่านั้น แต่ดูเหมือนว่าความสมมาตรเกี่ยวข้องกับปฏิสัมพันธ์พื้นฐานอย่างไร ท้ายที่สุดแล้ว เมื่อมองแวบแรก ข้อความเกี่ยวกับการมีอยู่ของการเชื่อมต่อดังกล่าวนั้นดูลึกซึ้ง เป็นการคาดเดา และสร้างขึ้นเอง ลองพิจารณาปัญหานี้โดยละเอียด

ก่อนอื่น ความสมมาตรหมายถึงอะไร? เป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่าวัตถุมีความสมมาตรหากยังคงไม่เปลี่ยนแปลงหลังจากการดำเนินการอย่างใดอย่างหนึ่งเพื่อแปลงวัตถุ กล่าวอีกนัยหนึ่งก็คือในมาก ในความหมายทั่วไปความสมมาตรหมายถึงความไม่แปรเปลี่ยนของโครงสร้างของวัตถุโดยคำนึงถึงการเปลี่ยนแปลงของมัน ในความสัมพันธ์กับฟิสิกส์ หมายความว่าสมมาตรมีความไม่แปรเปลี่ยน ระบบทางกายภาพ(กฎที่กำหนดลักษณะและปริมาณที่สอดคล้องกัน) เกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงเฉพาะบางอย่าง (เช่น กฎของไฟฟ้ามีความสมมาตรเกี่ยวกับการทดแทน ประจุบวกเชิงลบและในทางกลับกัน และระบบกลไกแบบปิดมีความสมมาตรตามเวลา เป็นต้น)

เป็นไปตามที่ระบบทางกายภาพในคุณสมบัติที่สำคัญถูกกำหนดโดยเซต (กลุ่ม) ของการแปลงแบบสมมาตร หากกลุ่มของการเปลี่ยนแปลงเกี่ยวข้องกับพื้นที่บางแห่งซึ่งมีโครงสร้างสมมาตรที่สอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงวัตถุนั้นก็สามารถแสดงเป็นองค์ประกอบของช่องว่างนั้นได้ (เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของวัตถุในกรณีนี้คือการเปลี่ยนแปลงของพื้นที่) . ในกรณีนี้ การศึกษาความสมมาตรของวัตถุขึ้นอยู่กับการศึกษาลักษณะไม่แปรเปลี่ยนของพื้นที่ที่กำหนด

เครื่องมือทางคณิตศาสตร์สำหรับการวิเคราะห์การแปลงแบบสมมาตรคือทฤษฎีกลุ่ม ดังนั้นเพื่อแก้ปัญหา งานเฉพาะใช้วิธีการต่อไปนี้ ประการแรก สมการระบุปริภูมิเวกเตอร์จำนวนหนึ่ง จากนั้นจึงศึกษากลุ่มของการแปลงไม่แปรผันของสมการดังกล่าว แต่ละองค์ประกอบของกลุ่มสามารถเชื่อมโยงกับการเปลี่ยนแปลงบางอย่างได้ พื้นที่เวกเตอร์คำตอบของสมการนี้ ความรู้เกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างองค์ประกอบของกลุ่มและการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวทำให้ในหลายกรณีสามารถค้นหาคำตอบของสมการได้ และนี่หมายถึงการพิจารณาการมีอยู่ของคุณสมบัติสมมาตรที่แท้จริงของวัตถุซึ่งสามารถเชื่อมโยงพื้นที่ที่กำหนดได้

1 ตามความหมายทั่วไป กลุ่มในวิชาคณิตศาสตร์เข้าใจว่าเป็นเซตที่ไม่ว่างซึ่งมีการระบุการดำเนินการพีชคณิตไบนารีบางรายการ หน่วยพื้นฐานของเซตนี้และองค์ประกอบผกผันถูกกำหนดไว้ (โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเรขาคณิต กลุ่มคือชุดของการแปลงมุมตั้งฉาก (กระจก) ทั้งหมดที่รวมรูปเข้ากับตัวมันเอง) ทฤษฎีกลุ่มในฐานะสาขาวิชาคณิตศาสตร์อิสระได้ก่อตัวขึ้น ช่วงเปลี่ยนผ่านของศตวรรษที่ 19— ศตวรรษที่ XX (คุณลีและคนอื่นๆ) จากแนวคิดที่พัฒนาขึ้นในศตวรรษที่ 19 ในทฤษฎีการแก้ปัญหา สมการพีชคณิตในอนุมูล (N. Abel, E. Galois), “โปรแกรม Erlangen” โดย F. Klein, ทฤษฎีจำนวน (K. Gauss ฯลฯ)

การศึกษาสมมาตรของสมการทฤษฎีสนามมีบทบาทสำคัญในการพัฒนาทฤษฎีควอนตัมเชิงสัมพันธ์ โดยทั่วไปแล้ว ความสมมาตรดังกล่าวจะแบ่งออกเป็นภายนอกซึ่งสัมพันธ์กับคุณสมบัติของกาลอวกาศ และภายในซึ่งสัมพันธ์กับคุณสมบัติของอนุภาคมูลฐาน ตัวอย่างของความสมมาตรภายนอกคือความสมมาตรของกฎของวัตถุควอนตัมที่เกี่ยวข้องกับการผกผันเชิงพื้นที่ (P) การกลับเวลา (T) และการผันประจุ (C) เช่น แทนที่อนุภาคด้วยปฏิปักษ์ที่สอดคล้องกัน "ทฤษฎีบท CPT" ที่สำคัญได้รับการพิสูจน์แล้ว ตามสมการของทฤษฎีสนามควอนตัมจะไม่เปลี่ยนรูปแบบหากทำการเปลี่ยนแปลงต่อไปนี้พร้อมกัน:

ร้อยอนุภาคเข้าไปในปฏิปักษ์ ดำเนินการผกผันเชิงพื้นที่ (แทนที่พิกัดอนุภาค r ด้วย -r) เวลาย้อนกลับ (แทนที่ t ด้วย -t) การค้นพบเชิงทดลองเกี่ยวกับการละเมิดทฤษฎีบทนี้ส่วนบุคคลสำหรับการโต้ตอบที่อ่อนแอเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับแนวคิดเกี่ยวกับความเป็นไปได้ของการทำลายสมมาตรโดยธรรมชาติในพิภพเล็ก ๆ โดยทั่วไป

แต่นอกเหนือจากสิ่งภายนอกแล้วยังมีความสมมาตรภายในที่เกี่ยวข้องกับคุณสมบัติของอนุภาคด้วยไม่ใช่คุณสมบัติของกาลอวกาศ ดังที่เราได้กล่าวไปแล้ว อนุภาคแต่ละกลุ่มมีลักษณะเฉพาะโดยกฎการอนุรักษ์เฉพาะของตัวเองเป็นหลัก และกฎการอนุรักษ์แต่ละข้อถือเป็นการแสดงความสมมาตรภายในของสมการสนาม ด้วยการเชื่อมต่อความสมมาตรภายในบางอย่าง เราสามารถเปลี่ยนจากการอธิบายลักษณะของอนุภาคหนึ่งเป็นการอธิบายลักษณะของอนุภาคอื่นได้ ดังนั้น โดยการ "ปิด" กฎการอนุรักษ์ที่มีอยู่ในปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้าและปฏิกิริยาที่อ่อนแอในสมการสนาม เราจึงสามารถระบุโปรตอนและเซลล์ประสาทได้อย่างสมบูรณ์ พวกมันจึงแยกไม่ออกจากกัน

ในบรรดาความสมมาตรภายในของสมการสนามที่สอดคล้องกับกฎการอนุรักษ์ สมมาตรเกจมีบทบาทพิเศษ คำสองสามคำเกี่ยวกับความสมมาตรของเกจโดยทั่วไป ระบบจะมีเกจสมมาตรหากคุณสมบัติที่สำคัญยังคงไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อระดับ สเกล หรือค่าของปริมาณทางกายภาพบางอย่างเปลี่ยนแปลง ตัวอย่างเช่น ในวิชาฟิสิกส์ งานขึ้นอยู่กับความแตกต่างของความสูง ไม่ใช่ความสูงสัมบูรณ์ แรงดันไฟฟ้า - จากความต่างศักย์ไม่ใช่จากค่าสัมบูรณ์ ฯลฯ

การแปลงสมมาตรเกจอาจเป็นแบบโกลบอลหรือระดับท้องถิ่นก็ได้ การเปลี่ยนแปลงทั่วโลกเปลี่ยนแปลงระบบโดยรวม ในปริมาณ spatiotemporal ทั้งหมด ในฟิสิกส์ควอนตัมสิ่งนี้แสดงให้เห็นในความจริงที่ว่าทุกจุดในอวกาศ-เวลา ค่าของฟังก์ชันคลื่นจะมีการเปลี่ยนแปลงแบบเดียวกัน การแปลงเกจเฉพาะคือการแปลงที่แตกต่างกันไปในแต่ละจุด ในกรณีนั้น ฟังก์ชั่นคลื่นในแต่ละจุดจะมีเฟสพิเศษของตัวเองซึ่งสอดคล้องกับอนุภาคเฉพาะ

การวิเคราะห์แสดงให้เห็นว่าในทฤษฎีสนามควอนตัม การเปลี่ยนแปลงเกจทั่วโลกสามารถเปลี่ยนเป็นแบบท้องถิ่นได้ ในกรณีนี้ จำเป็นต้องมีคำที่ปรากฏในสมการการเคลื่อนที่โดยคำนึงถึงปฏิสัมพันธ์ของอนุภาค ซึ่งหมายความว่าในการสื่อสารและรักษาความสมมาตรในแต่ละจุดในอวกาศ จำเป็นต้องมีสนามแรงใหม่ - แบบเกจ กล่าวอีกนัยหนึ่ง เกจสมมาตรสันนิษฐานว่ามีสนามเวกเตอร์เกจ ซึ่งเป็นควอนตัมที่อนุภาคแลกเปลี่ยนกัน โดยตระหนักถึงปฏิสัมพันธ์นี้ ดังนั้น สนามแรงจึงถือได้ว่าเป็นวิธีการหนึ่งในการสร้างความสมมาตรของเกจท้องถิ่นซึ่งมีอยู่ในธรรมชาติในธรรมชาติ ความสำคัญของแนวคิดเรื่องสมมาตรเกจก็คือบนพื้นฐานของปฏิสัมพันธ์พื้นฐานทั้งสี่ ซึ่งถือเป็นสนามเกจ ล้วนมีการสร้างแบบจำลองทางทฤษฎี

แม่เหล็กไฟฟ้ามีความสมมาตรเกจที่ง่ายที่สุด กล่าวอีกนัยหนึ่ง สนามแม่เหล็กไฟฟ้าไม่ได้เป็นเพียงสนามแรงบางประเภทที่มีอยู่ในธรรมชาติ แต่ยังเป็นการสำแดงสิ่งที่ง่ายที่สุด (สอดคล้องกับหลักการ ทฤษฎีพิเศษทฤษฎีสัมพัทธภาพ) สมมาตรเกจ ซึ่งการแปลงเกจสอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงศักยภาพจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง

หลักคำสอนเรื่องแม่เหล็กไฟฟ้ามีการพัฒนามานานหลายศตวรรษบนพื้นฐานของการวิจัยเชิงประจักษ์ที่อุตสาหะ แต่ปรากฎว่าผลลัพธ์ของการศึกษาเหล่านี้สามารถอนุมานได้ในทางทฤษฎีล้วนๆ โดยอาศัยความรู้ของสมมาตรเพียงสองแบบ - ความสมมาตรเกจท้องถิ่นที่ง่ายที่สุดและสิ่งที่เรียกว่า สมมาตรลอเรนซ์-ปัวกาเรของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ จากการมีอยู่ของสมมาตรทั้งสองนี้เท่านั้น โดยไม่ต้องทำการทดลองไฟฟ้าและแม่เหล็กเพียงครั้งเดียว เราสามารถสร้างสมการของแมกซ์เวลล์ ได้กฎแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งหมด พิสูจน์การมีอยู่ของคลื่นวิทยุ ความเป็นไปได้ในการสร้างไดนาโม เป็นต้น

ในการแสดงสนามปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอเป็นสนามเกจ ขั้นแรกจำเป็นต้องสร้างรูปแบบที่แน่นอนของสมมาตรเกจที่สอดคล้องกัน ความจริงก็คือความสมมาตรของปฏิกิริยาที่อ่อนแอนั้นซับซ้อนกว่าปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้ามาก เนื่องจากปฏิกิริยาที่อ่อนแอนั้นมีความซับซ้อนมากกว่า สิ่งนี้แสดงให้เห็นได้จากสถานการณ์หลายประการ ดังนั้น ปฏิกิริยาที่อ่อนแอมักเกี่ยวข้องกับอนุภาคที่แตกต่างกันอย่างน้อยสี่ประเภท (ในการสลายนิวตรอน เช่น นิวตรอน โปรตอน อิเล็กตรอน และนิวตริโน) นอกจากนี้การกระทำของกองกำลังที่อ่อนแอยังนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงในธรรมชาติของพวกมัน (การเปลี่ยนแปลงของอนุภาคบางส่วนไปเป็นอนุภาคอื่นเนื่องจากการมีปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอ) ในทางตรงกันข้าม ปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้าจะไม่เปลี่ยนลักษณะของอนุภาคที่เข้าร่วม

ปรากฎว่าเพื่อรักษาความสมมาตรของปฏิกิริยาที่อ่อนแอนั้น จำเป็นต้องมีสนามแรงใหม่สามสนาม ซึ่งตรงกันข้ามกับสนามแม่เหล็กไฟฟ้าสนามเดียว ซึ่งหมายความว่าจะต้องมีอนุภาคใหม่สามประเภท - พาหะของการโต้ตอบ หนึ่งรายการสำหรับแต่ละฟิลด์ พวกมันถูกเรียกว่าโบซอนเวกเตอร์หนักสปิน-1 และเป็นพาหะของแรงอ่อน อนุภาค W+ และ W- เป็นพาหะของสองในสามช่องที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาที่อ่อนแอ ช่องที่สามสอดคล้องกับอนุภาคพาหะที่เป็นกลางทางไฟฟ้า เรียกว่าอนุภาค Z° การมีอยู่ของอนุภาค Z° หมายความว่าปฏิกิริยาที่อ่อนแออาจไม่มาพร้อมกับการถ่ายโอนประจุไฟฟ้า

แนวคิดเรื่องการทำลายสมมาตรที่เกิดขึ้นเองมีบทบาทสำคัญในการสร้างทฤษฎีปฏิสัมพันธ์แบบอิเล็กโทรอ่อนแอ ระบบทางกายภาพบางระบบที่มีความสมมาตรบางอย่างอาจสูญเสียไปในกรณีที่สถานะสมมาตรไม่เอื้ออำนวยเชิงพลังงาน (ไม่มีพลังงานขั้นต่ำ) และสถานะเอื้ออำนวยเชิงพลังไม่มีสมมาตรดั้งเดิมและคลุมเครือ ความคลุมเครือนี้แสดงออกมาทางคณิตศาสตร์ในข้อเท็จจริงที่ว่าสมการการเคลื่อนที่ของระบบทางกายภาพที่กำหนดนั้นไม่ได้แสดงด้วยวิธีการแก้ปัญหาเดียว แต่ด้วยชุดของการแก้ปัญหาที่ไม่มีความสมมาตรดั้งเดิม ในที่สุด ก็มีการนำโซลูชันชุดนี้ไปใช้ในที่สุด ท้ายที่สุด ไม่ใช่ทุกวิธีแก้ปัญหาจะต้องมีคุณสมบัติทั้งหมดในระดับเดิม ดังนั้น อนุภาคที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิงที่พลังงานต่ำและพลังงานสูง จริงๆ แล้วอาจกลายเป็นอนุภาคเดียวกันได้ แต่อยู่ใน รัฐที่แตกต่างกัน- ดังนั้น แนวคิดของไวน์เบิร์กและซาลามเกี่ยวกับสมมาตรที่เกิดขึ้นเองจึงทำลายแม่เหล็กไฟฟ้าแบบครบวงจรและแรงที่อ่อนแอให้กลายเป็นทฤษฎีสนามเกจแบบรวม

ทฤษฎีไวน์เบิร์ก-ซาลามนำเสนอเพียงสี่สาขาเท่านั้น ได้แก่ สาขาแม่เหล็กไฟฟ้า และสามสาขาที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาที่อ่อนแอ ในทฤษฎีนี้ โฟตอนและโบซอนเวกเตอร์หนัก (W± และ Z°) มีต้นกำเนิดร่วมกันและมีความสัมพันธ์กันอย่างใกล้ชิด นอกจากนี้ถาวรทั่วประเทศ

นี่คือสนามสเกลาร์ (ที่เรียกว่าสนามฮิกส์) ซึ่งโฟตอนและโบซอนเวกเตอร์มีปฏิสัมพันธ์ต่างกัน ซึ่งเป็นตัวกำหนดความแตกต่างของมวลของพวกมัน ควอนตัมสนามสเกลาร์เป็นอนุภาคมูลฐานขนาดใหญ่ที่มีการหมุนเป็นศูนย์ พวกเขาถูกเรียกว่าฮิกส์ (ตั้งชื่อตามนักฟิสิกส์พี. ฮิกส์ผู้เสนอแนะการดำรงอยู่ของพวกเขา) จำนวนฮิกส์โบซอนดังกล่าวสามารถเข้าถึงได้หลายโหล

1 เมื่อเร็ว ๆ นี้ มีการรายงานการตรวจหาฮิกส์โบซอนเชิงทดลอง ขณะนี้ผลลัพธ์ของการทดสอบนี้อยู่ระหว่างการตรวจสอบ

เหตุใดปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้าและปฏิกิริยาที่อ่อนแอจึงมีคุณสมบัติที่แตกต่างกันเช่นนี้ ทฤษฎีไวน์เบิร์ก-ซาลามอธิบายความแตกต่างเหล่านี้โดยทำลายความสมมาตร หากความสมมาตรไม่เสีย ปฏิสัมพันธ์ทั้งสองจะมีขนาดที่เทียบเคียงได้ ในตอนแรก ควอนตัม W และ Z ไม่มีมวล แต่เนื่องจากการแตกหักแบบสมมาตร อนุภาคฮิกส์บางส่วนจึงรวมตัวกับอนุภาค W และ Z ทำให้พวกมันมีมวล แต่โฟตอนไม่ได้มีส่วนร่วมในกระบวนการรวมตัวกับอนุภาคฮิกส์ ดังนั้นจึงไม่มีมวลนิ่ง การทำลายแบบสมมาตรส่งผลให้อันตรกิริยาที่อ่อนแอลดลงอย่างมาก เนื่องจากมีความเกี่ยวข้องโดยตรงกับมวลของอนุภาค W และ Z เราสามารถพูดได้ว่าปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอนั้นมีน้อยมากเพราะอนุภาค W และ Z นั้นมีมวลมาก

เลปตันไม่ค่อยเข้าใกล้ระยะทางเล็กๆ เช่นนี้ (r = 10-18 ม.) ซึ่งการแลกเปลี่ยนโบซอนเวกเตอร์หนักจะเกิดขึ้นได้ แต่ที่พลังงานสูง (มากกว่า 100 GeV) เมื่ออนุภาค W และ Z สามารถสร้างขึ้นได้อย่างอิสระ การแลกเปลี่ยน W- และ Z-boson เกิดขึ้นได้ง่ายพอ ๆ กับการแลกเปลี่ยนโฟตอน (อนุภาคไร้มวล) ความแตกต่างระหว่างโฟตอนและโบซอนคือ ลบแล้ว ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ ควรมีความสมมาตรโดยสมบูรณ์ระหว่างปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้าและปฏิกิริยาแบบอ่อน ซึ่งก็คือปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่อ่อนแอ

น่าเชื่อที่สุด การตรวจสอบการทดลองทฤษฎีใหม่คือการยืนยันการมีอยู่ของอนุภาค W และ Z สมมุติฐาน การค้นพบของพวกเขาในปี 1983 เกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อมีการสร้างเครื่องเร่งความเร็วที่ทรงพลังมากเท่านั้น ประเภทใหม่ล่าสุดและหมายถึงชัยชนะของทฤษฎีไวน์เบิร์ก-สลาม ได้รับการพิสูจน์อย่างแน่ชัดว่าแรงแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงอ่อนเป็นสององค์ประกอบของแรงไฟฟ้าอ่อนเพียงจุดเดียว

ในปี 1979 เอส. ไวน์เบิร์ก, เอ. ซาลาม และเอส. กลาโชว์ ได้รับรางวัลโนเบลจากการสร้างทฤษฎีปฏิสัมพันธ์ทางไฟฟ้าอ่อนแอ

10.3.4. โครโมไดนามิกส์ควอนตัม

ขั้นตอนต่อไปบนเส้นทางสู่การทำความเข้าใจปฏิสัมพันธ์พื้นฐานคือการสร้างทฤษฎีปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่ง ในการทำเช่นนี้ จำเป็นต้องมอบคุณลักษณะของสนามเกจให้กับปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่ง อย่างหลังสามารถแสดงได้เป็นผลจากการแลกเปลี่ยนกลูออน ซึ่งทำให้ควาร์กเชื่อมต่อกัน (เป็นคู่หรือแฝดสาม) เป็นแฮดรอน (ดู 10.3.2) การแลกเปลี่ยนกลูออนจะเปลี่ยน “สี” ของควาร์ก แต่ลักษณะอื่นๆ ไม่เปลี่ยนแปลง กล่าวคือ รักษาความหลากหลาย (“กลิ่นหอม”)

ทฤษฎีปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงถูกสร้างขึ้นตามรูปแบบเดียวกับทฤษฎีปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอ ข้อกำหนดของสมมาตรเกจท้องถิ่น (เช่น ค่าคงที่เกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลง "สี" ในแต่ละจุดในอวกาศ) นำไปสู่ความจำเป็นในการแนะนำสนามแรงชดเชย จำเป็นต้องมีสนามพลังชดเชยใหม่ทั้งหมดแปดสนาม อนุภาคพาหะของสนามเหล่านี้คือกลูออน ดังนั้น ทฤษฎีจึงบอกเป็นนัยว่าต้องมีกลูออนที่แตกต่างกันมากถึงแปดประเภท

เช่นเดียวกับโฟตอน กลูออนมีมวลนิ่งและการหมุน 1 เป็นศูนย์ กลูออนก็มีเช่นกัน สีต่างๆแต่ไม่บริสุทธิ์แต่ปะปนกัน กลูออนประกอบด้วย "สี" และ "สีตรงข้าม" (เช่น น้ำเงิน-เขียว) ดังนั้นการปล่อยหรือการดูดซึมกลูออนจึงเกิดขึ้นพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงสีของควาร์ก (“การเล่นของสี”) ตัวอย่างเช่น ควาร์กสีแดงสูญเสียกลูออนสีแดงต้านสีน้ำเงิน กลายเป็นควาร์กสีน้ำเงิน และควาร์กสีเขียวดูดซับกลูออนสีน้ำเงินต้านสีเขียว กลายเป็นควาร์กสีน้ำเงิน

จากมุมมองของควอนตัมโครโมไดนามิกส์ (ทฤษฎีสีควอนตัม) ปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งนั้นไม่มีอะไรมากไปกว่าความปรารถนาที่จะรักษาความสมมาตรเชิงนามธรรมของธรรมชาติ: การรักษาสีขาวของฮาดรอนทั้งหมดเมื่อสีของมันเปลี่ยนไป ส่วนประกอบ- ควาร์ก ตัวอย่างเช่น ในโปรตอน ควาร์กสามตัวแลกเปลี่ยนกลูออนอยู่ตลอดเวลา และเปลี่ยนสีของมัน อย่างไรก็ตามนั่น

การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ไม่ได้เป็นไปตามอำเภอใจ แต่อยู่ภายใต้กฎที่เข้มงวด: ในเวลาใดก็ตาม สี "ทั้งหมด" ของควาร์กสามตัวจะต้องเป็นแสงสีขาว กล่าวคือ ผลรวม “แดง + เขียว + น้ำเงิน” นอกจากนี้ยังใช้กับมีซอนที่ประกอบด้วยคู่ควาร์ก-แอนติควาร์กด้วย เนื่องจากแอนติควาร์กมีลักษณะเป็นแอนตี้สี การรวมกันดังกล่าวจึงไม่มีสี (“สีขาว”) อย่างเห็นได้ชัด ตัวอย่างเช่น ควาร์กสีแดงเมื่อรวมกับแอนติเรดควาร์กจะทำให้เกิดมีซอนไม่มีสี (“สีขาว”)

1 เลปตัน โฟตอน และโบซอนขั้นกลาง (อนุภาค W และ Z) ไม่มีสี ดังนั้นจึงไม่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยาที่รุนแรง)

โครโมไดนามิกส์ของควอนตัมอธิบายกฎเกณฑ์ที่ว่าการรวมกันของควาร์กทั้งหมดเป็นไปตามกฎ ปฏิกิริยาของกลูออนซึ่งกันและกัน (กลูออนสามารถสลายตัวเป็นกลูออนสองอันหรือกลูออนสองอันรวมกันเป็นหนึ่งได้ นั่นคือเหตุผลว่าทำไมพจน์ที่ไม่เป็นเชิงเส้นจึงปรากฏในสมการสนามของกลูออน) อันตรกิริยาของ ควาร์กและกลูออน เช่น QED (ควาร์กที่ปกคลุมไปด้วยเมฆของกลูออนเสมือนและคู่ควาร์ก-แอนตีควาร์ก) โครงสร้างที่ซับซ้อนของฮาดรอนที่ประกอบด้วยควาร์กที่ "แต่งกาย" ในเมฆ เป็นต้น

อาจเร็วเกินไปที่จะประเมินโครโมไดนามิกส์ควอนตัมในฐานะทฤษฎีที่สมบูรณ์และสมบูรณ์ของปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรง แต่สถานะการทดลองค่อนข้างแข็งแกร่งและความสำเร็จมีแนวโน้มดี

10.3.5. ระหว่างทางสู่การรวมชาติอันยิ่งใหญ่

ด้วยการสร้างโครโมไดนามิกส์ควอนตัม ความหวังก็เกิดขึ้นสำหรับการสร้างทฤษฎีที่เป็นหนึ่งเดียวกันของการโต้ตอบพื้นฐานทั้งหมด (หรืออย่างน้อยสามในสี่) แบบจำลองที่อธิบายปฏิสัมพันธ์พื้นฐานสามประการ (แรง อ่อน แม่เหล็กไฟฟ้า) จากปฏิกิริยาพื้นฐานทั้งสี่ในลักษณะที่เป็นหนึ่งเดียวเรียกว่าแบบจำลองแกรนด์ยูนิไฟด์

ประสบการณ์ในการรวมปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอและแม่เหล็กไฟฟ้าเข้าด้วยกันได้สำเร็จตามแนวคิดของเขตข้อมูลเกจที่แนะนำ วิธีที่เป็นไปได้การพัฒนาหลักการเอกภาพของฟิสิกส์เพิ่มเติมการรวมปฏิสัมพันธ์ทางกายภาพขั้นพื้นฐาน หนึ่งในนั้นขึ้นอยู่กับ ความจริงที่น่าอัศจรรย์ว่าค่าคงที่อันตรกิริยาของอิเล็กโตรอ่อนแอและอันตรกิริยารุนแรงเมื่อเปลี่ยนไปสู่ระยะทางเล็ก ๆ (เช่น เป็นพลังงานสูง) จะเท่ากันที่พลังงานเดียวกัน พลังงานนี้เรียกว่าพลังงานแห่งความสามัคคี มีค่าประมาณ 1,014-1,016 GeV; ตรงกับระยะห่าง = 10-29 ซม.

ที่พลังงานสูงกว่า 1,014-1,016 GeV หรือที่ระยะทางน้อยกว่า 10-29 ซม. ปฏิกิริยาที่รุนแรง อ่อนแอ และแม่เหล็กไฟฟ้าจะถูกอธิบายด้วยค่าคงที่เดียว นั่นคือ มีลักษณะทั่วไป ควาร์กและเลปตอนแทบจะแยกไม่ออกในที่นี้ และกลูออน โฟตอน และโบซอนเวกเตอร์ W± และ Z° เป็นควอนต้าของสนามเกจที่มีความสมมาตรเกจเดียว ท้ายที่สุดแล้ว หากอันตรกิริยาอิเล็กโทรอ่อนแอและอันตรกิริยารุนแรงแท้จริงแล้วเป็นเพียงสองด้านของอันตรกิริยารวมภาพอันยิ่งใหญ่ แล้วอันหลังก็ต้องสอดคล้องกับสนามเกจด้วย สมมาตรที่ซับซ้อน- จะต้องมีความทั่วไปเพียงพอที่จะครอบคลุมความสมมาตรของเกจทั้งหมดที่มีอยู่ในทั้งโครโมไดนามิกส์ควอนตัมและทฤษฎีปฏิสัมพันธ์ทางไฟฟ้าอ่อน ในเวลาเดียวกันการพังทลายที่เกิดขึ้นเองควรนำไปสู่การแยกอิเล็กโตรอ่อนแอและปฏิกิริยาที่รุนแรง การค้นหาความสมมาตรดังกล่าวเป็นภารกิจหลักในการสร้างทฤษฎีที่เป็นเอกภาพของการอ่อนแรงและปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรง

มีแนวทางที่แตกต่างกันซึ่งก่อให้เกิดทฤษฎี Grand Unified เวอร์ชันที่แข่งขันกัน อย่างไรก็ตาม เวอร์ชันสมมุติทั้งหมดของ Great Unification มีจำนวน คุณสมบัติทั่วไป- ประการแรก ในสมมติฐานทั้งหมด ควาร์กและเลปตันซึ่งเป็นพาหะของอิเล็กโทรอ่อนแอและปฏิกิริยารุนแรง รวมอยู่ในโครงการทางทฤษฎีเดียว จนถึงขณะนี้พวกเขาได้รับการพิจารณาว่าเป็นวัตถุที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง ประการที่สอง การใช้สมมาตรเกจเชิงนามธรรมนำไปสู่การค้นพบฟิลด์ประเภทใหม่ที่มีคุณสมบัติใหม่ เช่น ความสามารถในการแปลงควาร์กให้เป็นเลปตัน

ในเวอร์ชันที่ง่ายที่สุดของทฤษฎีแกรนด์ยูนิไฟด์ ต้องใช้ 24 สนามเพื่อแปลงควาร์กให้เป็นเลปตัน และควอนตัม 12 ในจำนวนจากสนามเหล่านี้เป็นที่รู้จักอยู่แล้ว ได้แก่ โฟตอน 1 ตัว อนุภาค W 2 ตัว อนุภาค Z° 1 ตัว และกลูออน 8 ตัว ควอนตัมที่เหลืออีก 12 ตัวเป็นโบซอนตัวกลางที่มีมวลหนักยิ่งยวดตัวใหม่รวมกัน ชื่อสามัญอนุภาค X และ Y (มีสีและประจุไฟฟ้า) ควอนตัมเหล่านี้สอดคล้องกับสนามที่รักษาความสมมาตรของเกจที่กว้างขึ้นและผสมควาร์กกับเลปตัน ด้วยเหตุนี้อนุภาค X และ Y จึงสามารถเปลี่ยนควาร์กเป็นเลปตันได้ (และในทางกลับกัน)

ยังไม่มีการพูดคุยเกี่ยวกับการทดลองโดยตรงของ X- และ Y-bosons ท้ายที่สุดแล้ว ทฤษฎี Grand Unified จัดการกับพลังงานอนุภาคที่สูงกว่า 1,014 GeV นี่เป็นพลังงานที่สูงมาก เป็นการยากที่จะบอกว่าเมื่อใดจึงจะได้รับอนุภาคที่มีพลังงานสูงเช่นนี้ด้วยความเร่ง

ผู้ค้าปลีก ความเป็นไปได้นี้ไม่ได้ถูกจินตนาการไว้ในอนาคตอันใกล้นี้ เครื่องเร่งความเร็วสมัยใหม่พยายามดิ้นรนเพื่อให้ถึง 100 GeV ดังนั้นพื้นที่หลักของการทดสอบทฤษฎีของการรวมใหญ่คือผลที่ตามมา (สำหรับจักรวาลวิทยาและสำหรับภูมิภาคพลังงานต่ำ) ดังนั้นหากไม่มีทฤษฎีการรวมใหญ่จึงเป็นไปไม่ได้ที่จะอธิบายระยะแรกของวิวัฒนาการของจักรวาลเมื่ออุณหภูมิของพลาสมาปฐมภูมิสูงถึง 10 27 K ภายใต้เงื่อนไขเช่นนี้ โบซอน X และ Y ที่หนักยิ่งยวดสามารถถูกสร้างขึ้นและทำลายล้างได้

นอกจากนี้ ตามทฤษฎี Grand Unified มีการคาดการณ์รูปแบบที่สำคัญสองรูปแบบในภูมิภาคพลังงานต่ำที่สามารถทดสอบได้ด้วยการทดลอง ประการแรก การเปลี่ยนผ่านของควาร์ก-เลปตันควรทำให้โปรตอนสลายตัว ซึ่งหมายความว่ามันไม่เสถียร อายุของโปรตอนควรอยู่ที่ประมาณ 1,031 ปี ประการที่สอง ผลที่ตามมาที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ของทฤษฎีเหล่านี้คือการมีอยู่ของโมโนโพลแม่เหล็ก ซึ่งเป็นอนุภาคที่มีความเสถียรและหนักมาก (มวลโปรตอน 108 อะตอม) ซึ่งมีขั้วแม่เหล็กหนึ่งขั้ว การตรวจจับการสลายตัวของโปรตอนและโมโนโพลแม่เหล็กในการทดลองสามารถให้ข้อโต้แย้งที่ชัดเจนในการสนับสนุนทฤษฎีแกรนด์ยูนิไฟด์ ความพยายามในการทดลองมีวัตถุประสงค์เพื่อทดสอบการคาดการณ์เหล่านี้ การตรวจหาการสลายตัวของโปรตอนจะยิ่งใหญ่ที่สุด การทดลองทางกายภาพศตวรรษที่ 21! แต่ยังไม่มีข้อมูลที่แน่ชัดเกี่ยวกับเรื่องนี้

10.3.6. แรงโน้มถ่วงยิ่งยวด

แต่การรวมปฏิสัมพันธ์พื้นฐานสามในสี่เข้าด้วยกันยังไม่เป็นทฤษฎีที่เป็นหนึ่งเดียวกัน ในทุกแง่มุมคำ. ท้ายที่สุดแรงโน้มถ่วงยังคงอยู่ แผนการทางทฤษฎีซึ่งปฏิสัมพันธ์ทุกประเภทที่รู้จัก (แรง อ่อน แม่เหล็กไฟฟ้า และแรงโน้มถ่วง) มารวมกัน เรียกว่าแบบจำลองแรงโน้มถ่วงยิ่งยวด แบบจำลองทางทฤษฎีที่รวมปฏิกิริยาทั้งสี่เข้าด้วยกัน (แรงโน้มถ่วงยิ่งยวด) นั้นขึ้นอยู่กับแนวคิดเรื่องสมมาตรยิ่งยวดนั่นคือ การเปลี่ยนจากสมมาตรเกจระดับโลกไปสู่ระดับท้องถิ่น ซึ่งจะช่วยให้เปลี่ยนจากเฟอร์มิออน (พาหะของสารตั้งต้นของสสาร) ไปเป็นโบซอน (พาหะของโครงสร้างของสสาร พาหะของปฏิสัมพันธ์) และในทางกลับกัน

ดังนั้น แรงโน้มถ่วงยิ่งยวดจึงเป็นทฤษฎีที่ไม่เพียงแต่เป็นพาหะของปฏิกิริยาพื้นฐานทั้งหมดเท่านั้น แต่ยังรวมถึงอนุภาคที่ประกอบเป็นสสารด้วย (ควาร์กและเลปตัน) ในสภาวะแรงโน้มถ่วงยิ่งยวด พวกมันทั้งหมดรวมกันเป็นหนึ่งเดียวในทฤษฎีสสารเดียว (สสารและสนาม) หนึ่งใน แบบจำลองทางทฤษฎีรวบรวม 70 อนุภาคด้วยการหมุน 0; 56 อนุภาคพร้อมสปิน 1/2; 28 อนุภาคพร้อมสปิน 1; 8 อนุภาคที่มีการหมุน 3/2 (เรียกว่ากราวิติโน) และ 1 อนุภาคที่มีการหมุน 2 (กราวิตอน) อนุภาคทั้งหมดนี้ก่อตัวขึ้นในช่วงเวลาแรกของจักรวาลของเรา

แรงโน้มถ่วงยิ่งยวดคือจุดสุดยอด ฟิสิกส์เชิงทฤษฎีซึ่งเป็นทฤษฎีทั่วไปและเป็นนามธรรมที่ครอบงำการค้นหาความสามัคคีของฟิสิกส์ที่ยาวนานและเข้มข้นและมักจะน่าทึ่ง ที่ระดับสมมาตรยิ่งยวด จำเป็นต้องยืนยันสมมาตรเชิงนามธรรมของสนามเกจ กล่าวอีกนัยหนึ่ง ความต้องการเกิดขึ้นอีกครั้งเพื่อยืนยันฟิสิกส์ด้วยเรขาคณิต (ดู 9.2.3) โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เพื่อแสดงฟิลด์เกจเป็น สมมาตรทางเรขาคณิตเกี่ยวข้องกับมิติเพิ่มเติมของพื้นที่ สิ่งนี้นำไปสู่การรื้อฟื้นแนวคิดเกี่ยวกับความหลากหลายมิติของโลกของเรา

แบบจำลองสมมาตรยิ่งยวดกำลังเกิดขึ้นโดยที่โลกของเราถูกมองว่าเป็นกาลอวกาศ 11 มิติ (หรือ 10 มิติ หรือแม้แต่ 26 มิติ) จาก 11 มิติ มีเพียง 4 มิติเท่านั้นที่ปรากฏในโลกของเรา และอีก 7 มิติที่เหลือยังคงบิดเบี้ยวและปิดอยู่ เหล่านี้ " มิติที่ซ่อนอยู่"มีอยู่ในระดับ r = 10-33 ซม. หากต้องการเจาะเกล็ดดังกล่าว จำเป็นต้องมีพลังงานเทียบเท่ากับพลังงานทั้งหมดของกาแล็กซีของเรา! แน่นอนว่าโครงการที่จะเจาะเข้าไปในพื้นที่เล็กๆ ของโลกของเราในอนาคตอันใกล้นี้นั้นไม่สมจริงสำหรับมนุษยชาติ (บางทีพวกเขาอาจไม่เป็นจริงในหลักการ)

ข้อได้เปรียบและหลักฐานที่ไม่ต้องสงสัยของคำมั่นสัญญาของโปรแกรมแรงโน้มถ่วงยิ่งยวดก็คือภายใต้อิทธิพลของมันมีแนวทางใหม่ในการรวมปฏิสัมพันธ์พื้นฐานเข้าด้วยกัน - ทฤษฎีซุปเปอร์สตริงได้เกิดขึ้น ในทฤษฎีนี้ อนุภาคถือเป็นสตริง ซึ่งเป็นระบบการแกว่งที่มีพารามิเตอร์แบบกระจาย ที่พลังงานต่ำ เชือกจะมีพฤติกรรมเหมือนอนุภาค และที่พลังงานสูง จะต้องใส่พารามิเตอร์ที่แสดงถึงลักษณะการสั่นสะเทือนลงในคำอธิบายการเคลื่อนที่ของสาย ด้านคณิตศาสตร์ของทฤษฎีสายเหนือปรากฏว่าง่ายกว่าทฤษฎีมาตรฐาน: อนันต์ที่ไม่ต้องการหายไป ผลลัพธ์ทางจักรวาลวิทยาที่สำคัญประการหนึ่งจากทฤษฎีสตริงเหนือธรรมชาติคือความเป็นไปได้ที่จักรวาลจะมีหลายหลาก ซึ่งแต่ละจักรวาลก็มีปฏิสัมพันธ์พื้นฐานเป็นของตัวเอง

เรามาสรุปผลลัพธ์กัน การรวมกันของปฏิสัมพันธ์พื้นฐานเริ่มต้นขึ้นในศตวรรษที่ 19 จากการสังเคราะห์ไฟฟ้าและแม่เหล็กในทฤษฎีสนามแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์ ความพยายามที่จะสังเคราะห์แรงโน้มถ่วงและแม่เหล็กไฟฟ้าที่ทำโดย A. Einstein ใน "ทฤษฎีสนามรวม" ล้มเหลว แต่การรวมกันทางทฤษฎีของปฏิกิริยาที่อ่อนแอและปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้าได้รับการยืนยันที่เชื่อถือได้ในปี 1983 ด้วยการตรวจจับการทดลองของ W- และ Z-bosons ไม่มีหลักฐานที่ชัดเจนที่ยืนยันการรวมตัวครั้งใหญ่ (การสลายตัวของโปรตอน การมีอยู่ของโมโนโพลแม่เหล็ก) แต่สิ่งเหล่านี้เป็นสิ่งที่คาดหวัง โปรแกรมแรงโน้มถ่วงยิ่งยวด - ตัวอย่างที่ส่องแสงทฤษฎีสามารถก้าวล้ำหน้าการปฏิบัติ ประสบการณ์ และความเป็นไปได้ในการทดลองได้อย่างไร แต่แม้กระทั่งที่นี่ เราก็สามารถคาดหวังการพิสูจน์เชิงประจักษ์ทางอ้อมของแบบจำลองแรงโน้มถ่วงยิ่งยวดด้วยข้อมูลจากดาราศาสตร์นอกกาแลคซี ดาราศาสตร์ฟิสิกส์ และจักรวาลวิทยา ดังนั้นฟิสิกส์จึงอยู่ในเกณฑ์ของการสร้างทฤษฎีสสารที่เป็นเอกภาพนั่นคือ ปฏิสัมพันธ์พื้นฐาน (สาขา) และโครงสร้างของสสาร เป็นไปได้ว่าในช่วงครึ่งแรกของศตวรรษที่ 21 ภารกิจที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในประวัติศาสตร์วิทยาศาสตร์ทั้งหมดจะได้รับการแก้ไข ในแง่นี้หมายถึงจุดจบ วิทยาศาสตร์กายภาพเป็นความรู้เกี่ยวกับหลักการพื้นฐานของสสาร

จริงอยู่ ยังมีปัญหาร้ายแรงอีกมากมายที่ต้องแก้ไขบนเส้นทางนี้ ดังนั้น เราจะต้องตรวจสอบการมีอยู่ของอนุภาคมูลฐานจำนวนหนึ่งซึ่งถูกทำนายโดยทฤษฎีสมัยใหม่ (โดยหลักแล้วคือฮิกส์โบซอน) นอกจากนี้ จะต้องสร้างทฤษฎีแรงโน้มถ่วงควอนตัมขึ้น โดยที่การดำเนินการตามโปรแกรมสมมาตรยิ่งยวดจะเป็นไปไม่ได้ เห็นได้ชัดว่ามีเพียงการสร้างทฤษฎีแรงโน้มถ่วงควอนตัมเท่านั้นจึงจะสามารถตอบคำถามต่อไปนี้ได้: เหตุใดอวกาศของเราจึงมีสามมิติและเวลาเป็นมิติเดียว เหตุใดจึงมีปฏิสัมพันธ์พื้นฐานเพียงสี่รายการ และปฏิสัมพันธ์ที่เรามีจริงๆ ทำไมเราถึงได้รับอนุภาคมูลฐานชุดนี้กันแน่? มวลของอนุภาคมูลฐานถูกกำหนดอย่างไร? เหตุใดค่าคงที่ของโลกจึงมีค่าเหล่านี้ทุกประการและไม่ใช่ค่าอื่น ๆ เหตุใดประจุไฟฟ้าเบื้องต้นจึงมีอยู่ในธรรมชาติ และขนาดของประจุนั้นขึ้นอยู่กับอะไร? ทำไมมวลนิวตริโนจึงมีน้อย? ฯลฯ

การแก้ปัญหาเหล่านี้ส่วนใหญ่จะขึ้นอยู่กับความสามารถของการทดลองในสาขาฟิสิกส์อนุภาคมูลฐาน เครื่องเร่งกระแส (คอลลิเดอร์) ซึ่งกลุ่มของอนุภาคมูลฐาน (อิเล็กตรอน โปรตอน ฯลฯ) เร่งเข้าหากันชนกัน ให้พลังงานของการชนกัน

อนุภาคประมาณ 200 GeV กำลังหารือเกี่ยวกับโครงการเครื่องเร่งความเร็วที่เพิ่มพลังงานนี้ 2-3 ลำดับความสำคัญ แต่ความเป็นไปได้ทางเทคนิคที่นี่ไม่ได้จำกัด การเพิ่มพลังงานจำเป็นต้องสร้างสนามพลังงานที่แข็งแกร่ง และมีข้อจำกัดในเรื่องนี้เพราะมันมาก สนามที่แข็งแกร่งจะทำลายอะตอมของสารใดๆ ซึ่งหมายความว่าในสนามดังกล่าวคันเร่งจะทำลายตัวเอง! ขณะนี้ อยู่ระหว่างการหารือเกี่ยวกับโครงการต่างๆ เพื่อสร้างเครื่องเร่งความเร็วโดยใช้นาโนเทคโนโลยี ซึ่งทำให้สามารถสร้างเซลล์วัสดุที่ถูกทำลายโดยสนามแม่เหล็กไฟฟ้าแรงสูงได้อย่างรวดเร็ว หากเป็นไปได้ การใช้งานโปรแกรมดังกล่าวถือเป็นเรื่องของอนาคตอันไกลโพ้น จริงอยู่ที่ยังคงเป็นไปได้ที่จะศึกษารังสีคอสมิก (การไหลของนิวตริโน กราวิตอน ฯลฯ) ด้วยพลังงานสูง ในการดำเนินการนี้ คุณจะต้องเรียนรู้วิธีการลงทะเบียนอย่างมั่นใจ อย่างไรก็ตาม ไม่สามารถตัดทางเลือกอื่นสำหรับการพัฒนาฟิสิกส์ในศตวรรษที่ 21 ได้ วิทยาศาสตร์ต้องพร้อมเสมอสำหรับการปฏิวัติ ดังนั้น ตัวอย่างเช่น การค้นพบปฏิสัมพันธ์พื้นฐานใหม่ อนุภาคซับควาร์ก ฯลฯ อาจต้องมีการแก้ไขฟิสิกส์สมัยใหม่ (เชิงสัมพัทธภาพและควอนตัม) อย่างรุนแรง ทำให้ประเด็นของการสร้าง "ฟิสิกส์ใหม่" โดยพื้นฐานกลายเป็นวาระ พื้นที่ที่ Microworld เชื่อมโยงกับ Megaworld, ultrasmall กับ ultralarge, อนุภาคมูลฐานกับจักรวาลโดยรวม, ฟิสิกส์กับดาราศาสตร์นำสิ่งที่ผิดปกติและคาดไม่ถึงมากมายมาสู่ความรู้เกี่ยวกับโลกทางกายภาพ
.

เพื่อให้เข้าใจว่าการเขียนภาพร่างสั้น ๆ ที่อธิบายความแตกต่างอย่างแท้จริงนั้นคุ้มค่าหรือไม่ ปรากฏการณ์ทางกายภาพและกระบวนการต่างๆ ผลลัพธ์ที่ได้ขจัดความสงสัยของฉันออกไป ฉันจะดำเนินการต่อ แต่เพื่อที่จะเข้าถึงปรากฏการณ์ที่ค่อนข้างซับซ้อน คุณจะต้องสร้างโพสต์ตามลำดับแยกกัน ดังนั้น เพื่อที่จะเข้าใจเรื่องราวเกี่ยวกับโครงสร้างและวิวัฒนาการของดวงอาทิตย์และดาวฤกษ์ประเภทอื่นๆ คุณจะต้องเริ่มต้นด้วยคำอธิบายประเภทปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคมูลฐาน เริ่มจากสิ่งนี้กันก่อน ไม่มีสูตร
โดยรวมแล้วปฏิสัมพันธ์สี่ประเภทเป็นที่รู้จักในวิชาฟิสิกส์ ทุกคนรู้จักกันดี แรงโน้มถ่วงและ แม่เหล็กไฟฟ้า- และแทบไม่เป็นที่รู้จักของคนทั่วไป แข็งแกร่งและ อ่อนแอ- ให้เราอธิบายตามลำดับ
ปฏิสัมพันธ์ของแรงโน้มถ่วง . ผู้คนรู้จักมันมาตั้งแต่สมัยโบราณ เพราะมันอยู่ในสนามแรงโน้มถ่วงของโลกตลอดเวลา และจาก ฟิสิกส์ของโรงเรียนเรารู้ว่าแรงโน้มถ่วงอันตรกิริยาระหว่างวัตถุเป็นสัดส่วนกับผลคูณของมวลและเป็นสัดส่วนผกผันกับกำลังสองของระยะห่างระหว่างวัตถุเหล่านั้น ภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วง ดวงจันทร์หมุนรอบโลก โลกและดาวเคราะห์ดวงอื่นหมุนรอบดวงอาทิตย์ และดวงหลังเมื่อรวมกับดาวดวงอื่น หมุนรอบใจกลางกาแล็กซีของเรา
ความแรงของการโต้ตอบแรงโน้มถ่วงกับระยะทางที่ลดลงค่อนข้างช้า (แปรผกผันกับกำลังสองของระยะทาง) บังคับให้นักฟิสิกส์พูดถึงปฏิสัมพันธ์นี้ในฐานะ ระยะยาว- นอกจากนี้ แรงโน้มถ่วงที่กระทำระหว่างวัตถุเป็นเพียงแรงดึงดูดเท่านั้น
ปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้า . ในกรณีที่ง่ายที่สุดของปฏิกิริยาระหว่างไฟฟ้าสถิต ดังที่เราทราบจากฟิสิกส์ของโรงเรียน แรงดึงดูดหรือแรงผลักระหว่างอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าจะเป็นสัดส่วนกับผลคูณของประจุไฟฟ้าและเป็นสัดส่วนผกผันกับกำลังสองของระยะห่างระหว่างอนุภาคเหล่านั้น ซึ่งคล้ายกับกฎปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วงมาก ข้อแตกต่างเพียงอย่างเดียวคือประจุไฟฟ้าที่มีสัญญาณเหมือนกันจะผลักกัน และประจุไฟฟ้าที่มีสัญญาณต่างกันจะดึงดูดกัน ดังนั้นปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้าเช่นเดียวกับปฏิกิริยาแรงโน้มถ่วงจึงถูกเรียกโดยนักฟิสิกส์ ระยะยาว.
ในเวลาเดียวกัน ปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้ามีความซับซ้อนมากกว่าปฏิกิริยาแรงโน้มถ่วง จากฟิสิกส์ของโรงเรียน เรารู้ว่าสนามไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นโดยประจุไฟฟ้า ประจุแม่เหล็กไม่มีอยู่ในธรรมชาติ แต่สนามแม่เหล็กถูกสร้างขึ้น กระแสไฟฟ้า.
ในความเป็นจริง สนามไฟฟ้าสามารถสร้างขึ้นได้จากสนามแม่เหล็กที่แปรผันตามเวลา และสนามแม่เหล็กก็สามารถสร้างได้จากสนามแม่เหล็กที่แปรผันตามเวลาเช่นกัน สนามไฟฟ้า- พฤติการณ์หลังนี้ทำให้สามารถดำรงอยู่ได้ สนามแม่เหล็กไฟฟ้าโดยไม่มีค่าไฟฟ้าหรือกระแสใดๆ เลย และความเป็นไปได้นี้เกิดขึ้นได้ในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ตัวอย่างเช่น คลื่นวิทยุและควอนตัมแสง
เนื่องจากแรงไฟฟ้าและแรงโน้มถ่วงขึ้นอยู่กับระยะทางเท่ากัน จึงเป็นเรื่องปกติที่จะพยายามเปรียบเทียบความเข้มของพวกมัน สำหรับโปรตอนแรงสองตัว แรงดึงดูดแรงโน้มถ่วงกลายเป็น 10 ยกกำลัง 36 เท่า (พันล้านพันล้านล้านเท่า) ซึ่งอ่อนกว่าแรงผลักไฟฟ้าสถิต ดังนั้นในฟิสิกส์ของไมโครเวิลด์ ปฏิกิริยาระหว่างแรงโน้มถ่วงจึงถูกละเลยอย่างสมเหตุสมผล
ปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่ง . นี้ - ระยะสั้นความแข็งแกร่ง. ในแง่ที่พวกมันกระทำในระยะทางเพียงประมาณหนึ่งเฟมโตมิเตอร์ (หนึ่งในล้านล้านของมิลลิเมตร) และในระยะไกลมาก อิทธิพลของพวกมันก็ไม่รู้สึกถึงเลย ยิ่งกว่านั้น ที่ระยะห่างประมาณหนึ่งเฟมโตมิเตอร์ ปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงจะมีความรุนแรงมากกว่าแม่เหล็กไฟฟ้าประมาณร้อยเท่า
นี่คือเหตุผลว่าทำไมโปรตอนที่มีประจุไฟฟ้าเท่ากันในนิวเคลียสของอะตอมจึงไม่ถูกผลักออกจากกันด้วยแรงไฟฟ้าสถิต แต่ถูกยึดไว้ด้วยกันด้วยปฏิกิริยารุนแรง เนื่องจากขนาดของโปรตอนและนิวตรอนอยู่ที่ประมาณหนึ่งเฟมโตมิเตอร์
ปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอ . มันอ่อนแอมากจริงๆ ประการแรก มันทำงานในระยะทางที่เล็กกว่าเฟมโตมิเตอร์หนึ่งพันเท่า และในระยะไกลก็ไม่รู้สึกเลย ดังนั้น เช่นเดียวกับผู้แข็งแกร่ง มันก็เป็นของชนชั้น ระยะสั้น- ประการที่สอง ความเข้มของมันน้อยกว่าความเข้มของปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้าประมาณหนึ่งแสนล้านเท่า แรงที่อ่อนแอทำให้เกิดการสลายตัวของอนุภาคมูลฐาน รวมทั้งนิวตรอนอิสระด้วย
มีอนุภาคเพียงประเภทเดียวที่ทำปฏิกิริยากับสสารผ่านปฏิกิริยาที่อ่อนแอเท่านั้น นี่คือนิวตริโน นิวทริโนแสงอาทิตย์เกือบแสนล้านตัวทะลุผ่านทุกตารางเซนติเมตรของผิวหนังของเราทุกวินาที และเราไม่สังเกตเห็นพวกเขาเลย ในแง่ที่ว่าในช่วงชีวิตของเรา ไม่น่าเป็นไปได้ที่นิวตริโนจำนวนหนึ่งจะมีปฏิกิริยากับร่างกายของเรา
เราจะไม่พูดถึงทฤษฎีที่อธิบายปฏิสัมพันธ์ประเภทนี้ทั้งหมด เพราะสิ่งสำคัญสำหรับเราคือภาพของโลกคุณภาพสูง ไม่ใช่ความพึงพอใจของนักทฤษฎี

เป็นเวลานานแล้วที่มนุษย์พยายามที่จะรู้จักและเข้าใจโลกทางกายภาพรอบตัวเขา ปรากฎว่ากระบวนการทางกายภาพที่หลากหลายไม่สิ้นสุดทั้งหมดที่เกิดขึ้นในโลกของเราสามารถอธิบายได้โดยการดำรงอยู่โดยธรรมชาติของการโต้ตอบพื้นฐานจำนวนน้อยมาก ปฏิสัมพันธ์ระหว่างกันอธิบายการจัดเรียงเทห์ฟากฟ้าในจักรวาลอย่างเป็นระเบียบ พวกมันคือ “องค์ประกอบ” ที่เคลื่อนเทห์ฟากฟ้า สร้างแสงสว่าง และทำให้ชีวิตเป็นไปได้ (ดู แอปพลิเคชัน ).
ดังนั้น กระบวนการและปรากฏการณ์ทั้งหมดในธรรมชาติ ไม่ว่าจะเป็นแอปเปิ้ลหล่น การระเบิดซูเปอร์โนวา การกระโดดของนกเพนกวิน หรือการสลายสารกัมมันตภาพรังสี ล้วนเกิดขึ้นจากปฏิกิริยาเหล่านี้
โครงสร้างของสารในร่างกายเหล่านี้มีความเสถียรเนื่องจากพันธะระหว่างอนุภาคที่เป็นส่วนประกอบ

1. ประเภทของการโต้ตอบ

แม้ว่าสสารจะมีอนุภาคมูลฐานจำนวนมาก แต่ก็มีปฏิสัมพันธ์พื้นฐานระหว่างอนุภาคเหล่านี้เพียงสี่ประเภทเท่านั้น: แรงโน้มถ่วง, อ่อนแอ, แม่เหล็กไฟฟ้าและแรง
ที่ครอบคลุมมากที่สุดก็คือ แรงโน้มถ่วง ปฏิสัมพันธ์ - ปฏิกิริยาระหว่างวัสดุทั้งหมดนั้นขึ้นอยู่กับมัน - ทั้งไมโครพาร์ติเคิลและมาโครบอดีโดยไม่มีข้อยกเว้น ซึ่งหมายความว่าอนุภาคมูลฐานทั้งหมดมีส่วนร่วม มันแสดงออกมาในรูปของแรงโน้มถ่วงสากล แรงโน้มถ่วง (จากภาษาละติน Gravitas - ความหนักเบา) ควบคุมกระบวนการทั่วโลกส่วนใหญ่ในจักรวาลโดยเฉพาะทำให้มั่นใจในโครงสร้างและความมั่นคงของเรา ระบบสุริยะ- ตามแนวคิดสมัยใหม่ แต่ละปฏิสัมพันธ์เกิดขึ้นอันเป็นผลมาจากการแลกเปลี่ยนอนุภาคที่เรียกว่าพาหะของปฏิกิริยานี้ ปฏิกิริยาแรงโน้มถ่วงเกิดขึ้นผ่านการแลกเปลี่ยน กราวิตอน .
เช่นเดียวกับแรงโน้มถ่วง ซึ่งมีพิสัยไกลในธรรมชาติ แรงที่สอดคล้องกันสามารถแสดงออกมาในระยะห่างที่สำคัญมาก ปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้าอธิบายได้ด้วยประจุประเภทเดียว (ไฟฟ้า) แต่ประจุเหล่านี้สามารถมีได้สองสัญญาณอยู่แล้ว - บวกและลบ แรงแม่เหล็กไฟฟ้าต่างจากแรงโน้มถ่วงตรงที่สามารถเป็นได้ทั้งแรงดึงดูดและแรงผลัก คุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของสาร วัสดุ และเนื้อเยื่อสิ่งมีชีวิตต่างๆ นั้นถูกกำหนดโดยปฏิกิริยานี้ นอกจากนี้ยังจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมด เช่น เชื่อมต่อเฉพาะอนุภาคที่มีประจุเข้าด้วยกัน ทฤษฎีปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้าในจักรวาลมหภาคเรียกว่าไฟฟ้าพลศาสตร์แบบคลาสสิก
ปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอ ภายนอกไม่ค่อยมีใครรู้จัก วงกลมแคบนักฟิสิกส์และนักดาราศาสตร์ แต่สิ่งนี้ไม่ได้เบี่ยงเบนความสำคัญของมันแต่อย่างใด พอจะกล่าวได้ว่าหากไม่มีดวงอาทิตย์และดาวฤกษ์อื่นๆ ก็จะดับลง เพราะปฏิกิริยาที่อ่อนแอมีบทบาทสำคัญมากในปฏิกิริยาที่ทำให้พวกมันเรืองแสงได้ ปฏิกิริยาที่อ่อนแอคือระยะสั้น: รัศมีของมันเล็กกว่าแรงนิวเคลียร์ประมาณ 1,000 เท่า
ปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่ง – ทรงพลังที่สุดเหนือสิ่งอื่นใด มันกำหนดการเชื่อมต่อระหว่างแฮดรอนเท่านั้น แรงนิวเคลียร์ที่กระทำระหว่างนิวคลีออนในนิวเคลียสของอะตอมเป็นการแสดงให้เห็นถึงปฏิกิริยาประเภทนี้ มันแรงกว่าพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าประมาณ 100 เท่า ต่างจากอย่างหลัง (และแรงโน้มถ่วงด้วย) ประการแรกคือพิสัยสั้นที่ระยะทางมากกว่า 10–15 ม. (ตามขนาดของนิวเคลียส) แรงที่สอดคล้องกันระหว่างโปรตอนและนิวตรอนลดลงอย่างรวดเร็วหยุดลง เพื่อผูกมัดพวกเขาไว้ด้วยกัน ประการที่สอง สามารถอธิบายได้อย่างน่าพอใจโดยใช้ประจุ (สี) สามประจุที่ก่อให้เกิดการผสมที่ซับซ้อนเท่านั้น
ตารางที่ 1 นำเสนออนุภาคมูลฐานที่สำคัญที่สุดที่อยู่ในกลุ่มหลักโดยคร่าว (แฮดรอน เลปตัน ตัวพาอันตรกิริยา)

ตารางที่ 1

การมีส่วนร่วมของอนุภาคมูลฐานพื้นฐานในการโต้ตอบ

ลักษณะที่สำคัญที่สุดของการโต้ตอบขั้นพื้นฐานคือระยะของการกระทำ รัศมีของการกระทำคือระยะห่างสูงสุดระหว่างอนุภาคซึ่งเกินกว่าที่จะละเลยปฏิสัมพันธ์ของพวกมันได้ (ตารางที่ 2). ที่รัศมีเล็ก ๆ จะมีการเรียกปฏิสัมพันธ์ ออกฤทธิ์สั้น มีขนาดใหญ่ – ระยะยาว .

ตารางที่ 2

ลักษณะสำคัญของปฏิสัมพันธ์พื้นฐาน

ปฏิกิริยาที่รุนแรงและอ่อนแอถือเป็นปฏิกิริยาระยะสั้น - ความเข้มของมันจะลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อระยะห่างระหว่างอนุภาคเพิ่มขึ้น ปฏิสัมพันธ์ดังกล่าวเกิดขึ้นในระยะสั้นซึ่งประสาทสัมผัสไม่สามารถเข้าถึงได้ ด้วยเหตุนี้ ปฏิกิริยาเหล่านี้จึงถูกค้นพบช้ากว่าปฏิกิริยาอื่นๆ (เฉพาะในศตวรรษที่ 20) โดยใช้วิธีที่ซับซ้อน สิ่งอำนวยความสะดวกการทดลอง. ปฏิกิริยาระหว่างแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงโน้มถ่วงนั้นมีระยะไกล - อันตรกิริยาดังกล่าวจะค่อยๆ ลดลงตามระยะห่างระหว่างอนุภาคที่เพิ่มขึ้น และไม่มีขอบเขตของการกระทำที่จำกัด

2. ปฏิสัมพันธ์ที่เชื่อมโยงโครงสร้างของสสาร

ในนิวเคลียสของอะตอม พันธะระหว่างโปรตอนและนิวตรอนจะเป็นตัวกำหนด ปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่ง - ให้ความแข็งแกร่งของแกนกลางที่ยอดเยี่ยม ซึ่งรองรับความเสถียรของสารภายใต้สภาวะภาคพื้นดิน

ปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอ รุนแรงน้อยกว่าความแข็งแกร่งล้านเท่า มันทำหน้าที่ระหว่างอนุภาคมูลฐานส่วนใหญ่ซึ่งอยู่ห่างจากกันน้อยกว่า 10–17 เมตร ปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอพิจารณาการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีของยูเรเนียมและปฏิกิริยาฟิวชั่นแสนสาหัสในดวงอาทิตย์ ดังที่คุณทราบ การแผ่รังสีของดวงอาทิตย์ซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดของชีวิตหลักบนโลกนั่นเอง

ปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้า เป็นระยะยาวกำหนดโครงสร้างของสสารที่อยู่นอกช่วงของปฏิกิริยาที่รุนแรง แรงแม่เหล็กไฟฟ้าจับอิเล็กตรอนและนิวเคลียสในอะตอมและโมเลกุล มันรวมอะตอมและโมเลกุลเข้าด้วยกัน สารต่างๆกำหนดกระบวนการทางเคมีและชีวภาพ ปฏิกิริยานี้มีลักษณะเฉพาะด้วยแรงยืดหยุ่น แรงเสียดทาน ความหนืด และแรงแม่เหล็ก โดยเฉพาะอย่างยิ่งการผลักกันทางแม่เหล็กไฟฟ้าของโมเลกุลที่อยู่ในระยะทางสั้น ๆ ทำให้เกิดแรงปฏิกิริยาของพื้นดินซึ่งเป็นผลมาจากการที่เราไม่ตกพื้น ปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้าไม่มีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อการเคลื่อนไหวร่วมกันของวัตถุขนาดมหึมา มวลมากเนื่องจากแต่ละร่างกายมีความเป็นกลางทางไฟฟ้า กล่าวคือ มันมีประจุบวกและลบจำนวนเท่ากันโดยประมาณ

ปฏิสัมพันธ์ของแรงโน้มถ่วง เป็นสัดส่วนโดยตรงกับมวลของวัตถุที่มีปฏิสัมพันธ์กัน เนื่องจากอนุภาคมูลฐานมีมวลน้อย ปฏิกิริยาแรงโน้มถ่วงระหว่างอนุภาคจึงมีน้อยเมื่อเทียบกับปฏิสัมพันธ์ประเภทอื่น ดังนั้นในกระบวนการของโลกใบเล็ก ปฏิสัมพันธ์นี้จึงไม่มีนัยสำคัญ เมื่อมวลของวัตถุที่มีปฏิสัมพันธ์เพิ่มขึ้น (กล่าวคือ เมื่อจำนวนอนุภาคที่วัตถุนั้นมีเพิ่มขึ้น) ปฏิกิริยาแรงโน้มถ่วงระหว่างวัตถุจะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนโดยตรงกับมวลของวัตถุเหล่านั้น ในเรื่องนี้ในจักรวาลมหภาคเมื่อพิจารณาการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ดวงดาวกาแลคซีรวมถึงการเคลื่อนที่ของวัตถุขนาดมหภาคขนาดเล็กในสนามของมัน ปฏิสัมพันธ์ของแรงโน้มถ่วงจะกลายเป็นตัวชี้ขาด ประกอบด้วยชั้นบรรยากาศ ทะเล และทุกสิ่งที่มีชีวิตและไม่มีชีวิตบนโลก โลกหมุนรอบดวงอาทิตย์ และดวงอาทิตย์ภายในกาแล็กซี ปฏิกิริยาโน้มถ่วงมีบทบาทสำคัญในการกำเนิดและวิวัฒนาการของดาวฤกษ์ ปฏิสัมพันธ์พื้นฐานของอนุภาคมูลฐานจะแสดงโดยใช้แผนภาพพิเศษ ซึ่งอนุภาคจริงสอดคล้องกับเส้นตรง และการโต้ตอบกับอนุภาคอื่นจะแสดงด้วยเส้นประหรือเส้นโค้ง (รูปที่ 1)

แผนภาพแสดงอันตรกิริยาของอนุภาคมูลฐาน

แนวคิดทางกายภาพสมัยใหม่เกี่ยวกับการโต้ตอบขั้นพื้นฐานได้รับการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง ในปี พ.ศ. 2510 เชลดอน กลาโชว์, อับดุส สลามและ สตีเว่น ไวน์เบิร์กได้สร้างทฤษฎีขึ้นมาซึ่งปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้าและปฏิกิริยาที่อ่อนแอเป็นการรวมตัวกันของปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่อ่อนแอเพียงครั้งเดียว หากระยะห่างจากอนุภาคมูลฐานน้อยกว่ารัศมีการกระทำของแรงอ่อน (10–17 ม.) ความแตกต่างระหว่างปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้าและปฏิกิริยาที่อ่อนแอก็จะหายไป ดังนั้นจำนวนการโต้ตอบพื้นฐานจึงลดลงเหลือสาม

ทฤษฎี "การรวมชาติครั้งใหญ่"
นักฟิสิกส์บางคนโดยเฉพาะ G. Georgi และ S. Glashow แนะนำว่าในระหว่างการเปลี่ยนไปสู่พลังงานที่สูงขึ้น การควบรวมกิจการอีกครั้งควรเกิดขึ้น - การรวมกันของปฏิสัมพันธ์ระหว่างอิเล็กโทรอ่อนแอกับอันที่แข็งแกร่ง แผนทฤษฎีที่เกี่ยวข้องกันเรียกว่าทฤษฎี "การรวมเป็นหนึ่งเดียว" และทฤษฎีนี้กำลังอยู่ในระหว่างการทดสอบทดลอง ตามทฤษฎีนี้ ซึ่งรวมปฏิกิริยาระหว่างแรง อ่อน และแม่เหล็กไฟฟ้าเข้าด้วยกัน มีปฏิสัมพันธ์เพียงสองประเภทเท่านั้น: แบบรวมและแรงโน้มถ่วง เป็นไปได้ว่าการโต้ตอบทั้งสี่เป็นเพียงการแสดงอาการบางส่วนของการโต้ตอบครั้งเดียวเท่านั้น สถานที่ของสมมติฐานดังกล่าวได้รับการพิจารณาเมื่อพูดถึงทฤษฎีกำเนิดจักรวาล (ทฤษฎีบิ๊กแบง) ทฤษฎี " บิ๊กแบง” อธิบายว่าการรวมกันของสสารและพลังงานทำให้เกิดดวงดาวและกาแลคซีได้อย่างไร