Це третя фундаментальна взаємодія, що існує лише у мікросвіті. Воно відповідальне за перетворення одних частинок-ферміонів на інші, при цьому колір слабко взаємодіючих пептонів і кварків не змінюється. Типовий приклад слабкої взаємодії - процес бета-розпаду, під час якого вільний нейтрон у середньому за 15 хвилин розпадається на протон, електрон та електронне антинейтрино. Розпад викликається перетворенням усередині нейтрону кварку аромату d на кварк аромату u. Вилітаючий електрон забезпечує збереження сумарного електричного заряду, а антинейтрино дозволяє зберегти сумарний механічний імпульс системи.
Сильна взаємодія
Основна функція сильної взаємодії- з'єднувати кварки та антикварки в адрони. Теорія сильних взаємодій перебуває у процесі створення. Вона є типовою польовою теорією та названа квантовою хромодинамікою. Вихідним становищем її служить постулат існування трьох типів колірних зарядів (червоний, синій, зелений), що виражають властиву речовині здатність до об'єднання кварків у сильній взаємодії. Кожен із кварків містить деяку комбінацію таких зарядів, але при цьому повної їх взаємокомпенсації не відбувається, і кварк має результуючий колір, тобто зберігає здатність до сильної взаємодії з іншими кварками. Але коли три кварки або кварк і антикварк об'єднуються в адрон, сумарна комбінація колірних зарядів у ньому така, що адрон загалом має колірну нейтральність. Колірні заряди створюють поля з властивими квантами - бозонами. Обмін віртуальними колірними бозонами між кварками та (або) антикварками є матеріальною основою сильної взаємодії. До відкриття кварків та колірної взаємодії фундаментальною вважали ядерну взаємодію, що поєднує протони та нейтрони в ядрах атомів. З відкриттям кваркового рівня речовини під сильною взаємодією стали розуміти колірні взаємодії між кварками, що поєднуються в адрони. Ядерні сили перестали вважатися фундаментальними, вони мають якось виражатись через кольорові сили. Але це не просто зробити, адже баріони (протони та нейтрони), що становлять ядра, загалом кольоронейтральні. За аналогією можна згадати, що і атоми в цілому електрично нейтральні, але на молекулярному рівні проявляються хімічні сили, які розглядаються як відлуння електричних атомних сил.
Розглянуті чотири типи фундаментальних взаємодій лежать в основі всіх інших відомих форм руху матерії, у тому числі виникли на вищих щабляхрозвитку. Будь-які складні формирухи при їх розкладанні на структурні складові виявляються складні модифікації зазначених фундаментальних взаємодій.
2. Розвиток наукових поглядів на взаємодію частинок до еволюційного створення теорії «Великого об'єднання»
Теорія "Великого об'єднання" - це теорія, що поєднує електромагнітні, сильні та слабкі взаємодії. Згадуючи теорію " Великого об'єднання " , йдеться у тому, що це сили, що у природі, є проявом однієї загальної фундаментальної сили. Є ряд міркувань, що дають підстави вважати, що в момент Великого вибуху, що породив наш всесвіт, існувала лише ця сила. Однак з часом всесвіт розширювався, а значить, остигав, і єдина сила розщепилася на кілька різних, які ми зараз і спостерігаємо. Теорія "Великого об'єднання" має описати електромагнітну, сильну, слабку та гравітаційну сили як прояв однієї загальної сили. Певний прогрес вже є: вченим вдалося побудувати теорію, що поєднує електромагнітну та слабку взаємодію. Проте основна робота над теорією "Великого об'єднання" ще попереду.
Сучасна фізика частинок змушена обговорювати такі питання, які, по суті, хвилювали ще античних мислителів. Яке походження частинок та хімічних атомів, побудованих з цих частинок? І як із частинок, як би ми їх не називали, може бути побудований Космос, видимий нами Всесвіт? І ще – чи створено Всесвіт, чи існує споконвіку? Якщо можна так запитувати, то якими є шляхи думки, які можуть призвести до переконливих відповідей? Всі ці питання аналогічні пошукам істинних засад буття, питанням про природу цих засад.
Що б ми не говорили про Космос, ясно одне, що все в природному світітак чи інакше складається із частинок. Але як розуміти цю складність? Відомо, що частинки взаємодіють – притягуються чи відштовхуються одна від одної. Фізика частинок вивчає різноманітні взаємодії. [Поппер К. Про джерела знання та незнання // Зап. історії природознавства та техніки, 1992 № 3, с. 32.]
Електромагнітна взаємодія привернула до себе особливу увагу у XVIII–XIX ст. Виявилася подібність і відмінність електромагнітної взаємодії та гравітаційної. Подібно до гравітації, сили електромагнітної взаємодії обернено пропорційні квадрату відстані. Але, на відміну гравітації, електромагнітне "тяжіння" як притягує частки (різні за знаком заряду), а й відштовхує їх друг від друга (однаково заряджені частки). І не всі частки – носії електричного заряду. Наприклад, фотон і нейтрон нейтральні щодо цього. У 50-х роках XIXв. електромагнітна теорія Д. К. Максвелла (1831–1879) об'єднала електричні та магнітні явищаі цим прояснила дію електромагнітних сил. [Грюнбаум А. Походження проти витвору у фізичній космології (теологічні спотворення сучасної фізичної космології). - Зап. філософії, 1995 № 2, с. 19.]
Вивчення явищ радіоактивності призвело до відкриття особливого родувзаємодії частинок, що отримало назву слабкої взаємодії. Оскільки це відкриття пов'язане з вивченням бета-радіоактивності, можна було б назвати цю взаємодію бета-розпадною. Однак у фізичній літературі прийнято говорити про слабку взаємодію – воно слабше електромагнітного, хоча й значно сильніше гравітаційного. Відкриттю сприяли дослідження В. Паулі (1900-1958), який передбачив, що при бета-розпаді вилітає нейтральна частка, що компенсує порушення закону збереження енергії, що здається, названа нейтрино. І крім того, відкриттю слабких взаємодій сприяли дослідження Е. Фермі (1901-1954), який поряд з іншими фізиками висловив припущення, що електрони та нейтрино до свого вильоту з радіоактивного ядра не існують у ядрі, так би мовити, у готовому вигляді, але утворюються у процесі випромінювання. [Грюнбаум А. Походження проти витвору у фізичній космології (теологічні спотворення сучасної фізичної космології). - Зап. філософії, 1995 № 2, с. 21.]
Нарешті, четверта взаємодія виявилася пов'язаною із внутрішньоядерними процесами. Назване сильною взаємодією, воно проявляється як тяжіння внутрішньоядерних частинок – протонів та нейтронів. Внаслідок великої величини воно є джерелом величезної енергії.
Вивчення чотирьох типів взаємодій йшло шляхом пошуків їх глибинного зв'язку. На цьому незрозумілому, багато в чому темному шляху тільки принцип симетрії спрямовував дослідження і привів до виявлення передбачуваного зв'язку різних типіввзаємодій.
Для виявлення таких зв'язків довелося звернутися до пошуку особливого типу симетрій. Простим прикладомподібного типу симетрії може бути залежність роботи, що здійснюється при підйомі вантажу, від висоти підйому. Енергія, що витрачається, залежить від різниці висот, але не залежить від характеру шляху підйому. Істотна лише різниця висот і зовсім не має значення, від якого рівня ми починаємо вимір. Можна сказати, що ми маємо тут справу із симетрією щодо вибору початку відліку.
Так само можна обчислювати енергію руху електричного заряду в електричному полі. Аналогом висоти буде тут напруга поля чи інакше електричний потенціал. Затрачувана енергія під час руху заряду залежатиме лише від різниці потенціалів між кінцевою та початковою точками у просторі поля. Ми маємо тут справу з так званою калібрувальною або, інакше, з масштабною симетрією. Калібрувальна симетрія, віднесена до електричному полю, Тісно пов'язана із законом збереження електричного заряду.
Калібрувальна симетрія виявилася найважливішим засобом, що породжує можливість вирішити багато труднощів у теорії елементарних частинок та у численних спробах поєднання різних типів взаємодій. У квантової електродинамікиНаприклад, виникають різні розбіжності. Усунути ці розбіжності вдається через те, що так звана процедура перенормування, що усуває труднощі теорії, тісно пов'язана з калібрувальною симетрією. З'являється ідея, що труднощі при побудові теорії не тільки електромагнітних, але й інших взаємодій можуть бути подолані, якщо вдасться знайти інші приховані симетрії.
Калібрувальна симетрія може набувати узагальненого характеру і може бути віднесена до будь-якого силового поля. Наприкінці 1960-х років. С. Вайнберг (нар. 1933) з Гарвардського університетуі А. Салам (р. 1926) з Імперіал-коледжу в Лондоні, спираючись на роботи Ш. Глешоу (р. 1932), здійснили теоретичне об'єднання електромагнітної та слабкої взаємодій. Вони використовували при цьому ідею калібрувальної симетрії і пов'язане з цією ідеєю поняття калібрувального поля. [Якушев А. С. Основні концепції сучасного природознавства. - М., Факт-М, 2001, с. 29.]
Для електромагнітної взаємодії застосовна найпростіша формакалібрувальної симетрії. Виявилося, що симетрія слабкої взаємодії складніша, ніж електромагнітна. Ця складність обумовлена складністю самого процесу, так би мовити, механізму слабкої взаємодії.
У процесі слабкої взаємодії відбувається, наприклад, розпад нейтрону. У цьому процесі можуть брати участь такі частинки, як нейтрон, протон, електрон та нейтрино. Причому за рахунок слабкої взаємодії відбувається взаємне перетворення частинок.
Концептуальні положення теорії "Великого об'єднання"
У сучасній теоретичної фізикитон задають дві нові концептуальні схеми: так звана теорія "Великого об'єднання" та суперсиметрія.
Ці наукові напрями спільно призводять до вельми привабливої ідеї, за якою вся природа зрештою підпорядкована дії певної суперсили, що у різних " іпостасях " . Ця сила досить потужна, щоб створити наш Всесвіт і наділити його світлом, енергією, матерією та надати їй структуру. Але суперсила - щось більше, ніж просто творить початок. У ній матерія, простір-час і взаємодія злиті в нероздільне гармонійне ціле, що породжує таку єдність Всесвіту, яку раніше ніхто і не припускав. Призначення науки, по суті, полягає у пошуку такої єдності. [Овчинніков Н. Ф. Структура та симетрія // Системні дослідження, М., 1969, с. 137.]
Виходячи з цього виникає певна впевненість об'єднання всіх явищ живої і неживої природи в рамках єдиної описової схеми. На сьогоднішній день відомі чотири фундаментальні взаємодії або чотири сили в природі, відповідальні за всі відомі взаємодії елементарних частинок – сильна, слабка, електромагнітна та гравітаційна взаємодії. Сильні взаємодії пов'язують між собою кварки. Слабкі взаємодії зумовлюють деякі види ядерних розпадів. Електромагнітні сили діють між електричними зарядами, а гравітаційні між масами. Наявність цих взаємодій є достатньою і необхідною умовою для побудови навколишнього світу. Наприклад, без гравітації не тільки не було б галактик, зірок і планет, але й Всесвіт не міг би виникнути - адже самі поняття Всесвіту, що розширюється, і Великого вибуху, від якого бере початок простір-час, засновані на гравітації. Без електромагнітних взаємодій не було б ні атомів, ні хімії чи біології, а також сонячного тепла та світла. Без сильних ядерних взаємодій не існували б ядра, а отже – атоми та молекули, хімія та біологія, а зірки та Сонце не могли б генерувати за рахунок ядерної енергії теплоту та світло.
Навіть слабкі ядерні взаємодії грають певну роль освіти Всесвіту. Без них неможливі були б ядерні реакції в Сонці та зірках, мабуть, не відбувалися спалахи наднових і необхідні для життя важкі елементи не могли б поширитися у Всесвіті. Життя цілком могло б і не виникнути. Якщо погодитися з думкою, що всі ці чотири абсолютно різних взаємодії, кожне з яких по-своєму необхідне виникнення складних структурі визначальних еволюцію всього Всесвіту, породжуються єдиною простою суперсилою, то наявність єдиного фундаментального закону, чинного як живої, і у неживої природи, не викликає сумнівів. Сучасні дослідження показують, що ці чотири сили могли бути об'єднані в одну.
Це було можливо при величезних енергіях, характерних для епохи раннього Всесвіту незабаром після Великого вибуху. Справді, теорія поєднання електромагнітних та слабких взаємодій вже підтверджена експериментально. Теорії "Великого об'єднання" повинні об'єднати ці взаємодії з сильними, а теорії "Всього Сутного" - єдиним чином описати всі чотири фундаментальні взаємодії як прояви однієї взаємодії. Теплова історія Всесвіту, починаючи з 10-43 сек. після Великого вибуху і до наших днів показує, що більша частинагелію-4, гелію-3, дейтронів (ядер дейтерію – важкого ізотопу водню) та літію-7 утворилася у Всесвіті приблизно через 1 хв після Великого вибуху.
Більш важкі елементи з'явилися всередині зірок десятки мільйонів або мільярди років по тому, а виникненню життя відповідає заключний етап Всесвіту, що еволюціонує. Грунтуючись на проведеному теоретичному аналізі та результатах комп'ютерного моделювання дисипативних систем, що функціонують далеко від рівноваги, в умовах дії кодово-частотного низькоенергетичного потоку, нами було зроблено висновок про існування у Всесвіті двох паралельних процесів – ентропійного та інформаційного. Причому ентропійний процес перетворення матерії на випромінювання перестав бути домінуючим. [Солдатов В. К. Теорія "Великого об'єднання". - М., Постскриптум, 2000, с. 38.]
У умовах виникає новий тип еволюційної самоорганізації матерії, який пов'язує когерентне просторово-часове поведінка системи з динамічними процесами всередині самої системи. Тоді у масштабі Всесвіту цей закон формулюватиметься так: "Якщо Великий вибух призвів до утворення 4-х фундаментальних взаємодій, то подальша еволюція просторово-часової організації Всесвіту пов'язана з їх об'єднанням". Таким чином, у нашому уявленні закон зростання ентропії необхідно застосовувати не до окремих частин Всесвіту, а до всього процесу її еволюції. У момент своєї освіти Всесвіт виявився квантованим за просторово-часовими рівнями ієрархії, кожному з яких і відповідає одна з фундаментальних взаємодій. Виникла флуктуація, що сприймається у вигляді картини Всесвіту, що розширюється, в певний момент переходить до відновлення своєї рівноваги. Процес подальшої еволюції відбувається у дзеркальному відображенні.
Іншими словами, у спостережуваному Всесвіті одночасно відбувається два процеси. Один процес - антиентропійний - пов'язаний з відновленням порушеної рівноваги, шляхом самоорганізації речовини та випромінювання в макроквантові стани (як фізичного прикладуможна навести такі добре відомі стани речовини, як надплинність, надпровідність та квантовий ефект Холла). Цей процес, мабуть, і визначає послідовну еволюцію процесів термоядерного синтезуу зірках, утворення планетних систем, мінералів, рослинного світу, одноклітинних та багатоклітинних організмів. Звідси автоматично випливає самоорганізуюча спрямованість третього принципу прогресивної еволюції живих організмів.
Інший процес носить суто ентропійний характері і описує процеси циклічного еволюційного переходу самоорганізуючої матерії (розпад – самоорганізація). Не виключено, що зазначені принципи можуть бути основою для створення математичного апарату, що дозволяє об'єднати всі чотири взаємодії в одну суперсилу. Як зазначалося, саме цим завданням нині зайнято більшість фізиків-теоретиків. Подальша аргументація цього принципу виходить далеко за межі цієї статті та пов'язана з побудовою теорії Еволюційної Самоорганізації Всесвіту. Тому дозволимо собі зробити головний висновок та подивитися, наскільки він застосовний до біологічних систем, принципів їх управління, а головне – до нових технологій лікування та профілактики патологічних станів організму. Насамперед нас цікавитимуть принципи та механізми підтримки самоорганізації та еволюції живих організмів, а також причини їх порушень, що виявляються у вигляді різноманітних патологій.
Перший – це принцип кодово-частотного управління, основне призначення якого полягає у підтримці, синхронізації та управлінні енергетичними потоками всередині будь-якої відкритої самоорганізуючої диссипативної системи. Виконання цього принципу для живих організмів вимагає наявності на кожному структурному ієрархічному рівні біологічного об'єкта (молекулярному, субклітинному, клітинному, тканинному, органоїдному, організмовому, популяційному, біоценотичному, біотичному, ландшафтному, біосферному, космічному) наявності біоритмологічного процесу енергії, що визначає активність і послідовність процесів усередині системи. Цей механізм займає центральне місце на ранніх етапах виникнення життя у процесах формування структури ДНК та принципу редуплікації дискретних кодів спадкової інформації, а також у таких процесах, як розподіл та подальша диференціація клітин. Як відомо, процес поділу клітин завжди відбувається у суворій послідовності: профаза, метафаза, телофаза, а потім – анафаза. Можна порушити умови розподілу, завадити йому, навіть видалити ядро, але послідовність завжди збережеться. Поза сумнівом, наш організм оснащений досконалими синхронізаторами: нервовою системою, що чуйно реагує на найменші зміни зовнішньої і внутрішнього середовища, повільнішою гуморальною системою. У той же час інфузорія-туфелька, при повній відсутності нервової та гуморальної систем, живе, харчується, виділяє, розмножується, і всі ці найскладніші процеси йдуть не хаотично, а в суворій послідовності: будь-яка реакція визначає наступну, а та у свою чергу виділяє продукти , які необхідні початку чергової реакції. [Солдатов В. К. Теорія "Великого об'єднання". - М., Постскриптум, 2000, с. 59.]
Слід зазначити, що ще теорія Ейнштейна ознаменувала настільки важливий прогрес у розумінні природи, що незабаром став неминучим перегляд поглядів та інші сили природи. У цей час єдиною "іншою" силою, існування якої було твердо встановлено, була електромагнітна взаємодія. Однак зовні воно зовсім не було схоже на гравітацію. Більше того, за кілька десятків років до створення теорії гравітації Ейнштейна електромагнетизм успішно описала теорія Максвелла, і не було жодних підстав сумніватися у справедливості цієї теорії.
Протягом усього життя Ейнштейн мріяв про створення єдиної теоріїполя, де всі сили природи зливались би воєдино з урахуванням чистої геометрії. Пошукам такої схеми Ейнштейн присвятив більшу частину свого життя після створення загальної теорії відносності. Однак за іронією долі найближче до реалізації мрії Ейнштейна підійшов маловідомий польський фізик Теодор Калуца, який ще 1921 р. заклав основи нового та несподіваного підходу до об'єднання фізики, що досі вражає уяву своєю зухвалістю.
З відкриттям у 30-ті роки XX століття слабких та сильних взаємодій ідеї поєднання гравітації та електромагнетизму значною мірою втратили свою привабливість. Послідовна єдина теорія поля мала включити у собі не дві, а чотири сили. Очевидно, це не можна було зробити, не досягнувши глибокого розуміння слабких та сильних взаємодій. Наприкінці 1970-х років завдяки свіжому вітру, принесеному теоріями Великого об'єднання і супергравітацією, згадали стару теорію Калуци-Клейна. З неї "здули пил, одягли по моді" і включили до неї всі відомі на сьогодні взаємодії.
У СПО теоретикам вдалося зібрати в рамках однієї концепції три дуже різні види взаємодій; це обумовлено тим, що всі три взаємодії можуть бути описані за допомогою калібрувальних полів. Основна властивість калібрувальних полів полягає в існуванні абстрактних симетрій, завдяки яким цей підхід набуває елегантності та відкриває широкі можливості. Наявність симетрій силових полів досить безперечно вказує на прояв деякої прихованої геометрії. У повернутий до життя теорії Калуци-Клейна симетрії калібрувальних полів набувають конкретності - це геометричні симетрії, пов'язані з додатковими вимірами простору.
Як і в початковому варіанті, взаємодії вводяться в теорії шляхом приєднання до простору-часу додаткових просторових вимірів. Однак, оскільки тепер треба дати притулок взаємодіям трьох типів, доводиться вводити кілька додаткових вимірів. Простий підрахунок кількості операцій симетрії, що входять до ТВО, призводить до теорії з сімома додатковими просторовими вимірами (так що їх загальна кількістьдосягає десяти); якщо врахувати час, то всього простір-час налічує одинадцять вимірів. [Солдатов В. К. Теорія "Великого об'єднання". - М., Постскриптум, 2000, с. 69.]
Основні положення теорії "Великого об'єднання" з погляду квантової фізики
У квантовій фізиці кожному масштабу довжин зіставляється масштаб енергій (або еквівалентних мас). Чим менший довжин, що вивчається, тим вище необхідна для цього енергія. Для вивчення кваркової структури протона потрібні енергії, еквівалентні принаймні десятикратній масі протону. Значно вище за шкалою енергій розташована маса, що відповідає Великому об'єднанню. Якщо нам колись вдасться досягти такої величезної маси (енергії), від чого ми сьогодні дуже далекі, то з'явиться можливість вивчити світ Х-часток, в якому стираються різницю між кварками і лептонами.
Яка ж енергія необхідна, щоб проникнути "всередину" 7-сфери та дослідити додаткові виміри простору? Відповідно до теорії Калуци-Клейна, потрібно перевершити масштаб Великого об'єднання і досягти енергій еквівалентних 10 19 мас протону. Лише за таких неймовірно величезних енергіях вдалося б безпосередньо спостерігати прояви додаткових вимірів простору.
Ця величезна величина - 10 19 мас протона - зветься маси Планка, так як вона була вперше введена Максом Планком, творцем квантової теорії. За енергії, що відповідає масі Планка, всі чотири взаємодії в природі злилися б у єдину суперсилу, а десять просторових вимірів виявились би цілком рівноправними. Якби вдалося сконцентрувати достатню кількість енергії, що забезпечує досягнення маси Планка, то повна розмірність простору проявилася б у всій своїй пишності. [Якушев А. С. Основні концепції сучасного природознавства. ]
Давши свободу уяві, можна припустити, що одного разу людство опанує суперсилу. Якби це сталося, то ми здобули б владу над природою, оскільки суперсила зрештою породжує всі взаємодії та всі фізичні об'єкти; у цьому сенсі вона є першоосновою всього сущого. Опанувавши суперсилу, ми змогли б змінювати структуру простору і часу, по-своєму викривити порожнечу і упорядкувати матерію. Керуючи суперсилою, ми змогли б за своїм бажанням створювати або перетворювати частки, генеруючи нові екзотичні форми матерії. Ми навіть змогли б маніпулювати розмірністю самого простору, створюючи химерні штучні світи з неймовірними властивостями. Ми стали б воістину володарями Всесвіту!
Але як цього досягти? Насамперед необхідно видобути достатню кількість енергії. Щоб уявити, про що йдеться, нагадаємо, що лінійний прискорювач у Стенфорді завдовжки 3 км розганяє електрони до енергій, еквівалентних 20 мас протону. Для досягнення енергії Планка прискорювач знадобилося б подовжити в 10 18 разів, зробивши його розміром з Чумацький Шлях (близько ста тисяч світлових років). Подібний проект не з тих, що вдасться здійснити в найближчому майбутньому. [Вілер Дж. А. Квант і всесвіт // Астрофізика, кванти та теорія відносності, М., 1982, с. 276.]
Теоретично Великого об'єднання чітко розрізняються три порогових значення, чи масштабу, енергії. Насамперед – це поріг Вайнберга–Салама, еквівалентний майже 90 масам протона, вище якого електромагнітні та слабкі взаємодії зливаються в єдине електрослабке. Другий масштаб, що відповідає 10 14 мас протону, характерний для Великого об'єднання і заснованої на ньому нової фізики. Нарешті, граничний масштаб - маса Планка, - еквівалентний 10 19 мас протону, відповідає повному об'єднанню всіх взаємодій, в результаті чого світ вражає спрощується. Одна з найбільших невирішених проблем полягає у поясненні існування цих трьох масштабів, а також причини такої сильної різниці першого та другого з них. [Солдатов В. К. Теорія "Великого об'єднання". - М., Постскриптум, 2000, с. 76.]
Сучасна техніка здатна забезпечити досягнення лише першого масштабу. Розпад протона міг би дати непрямий засіб вивчення фізичного світуу масштабі Великого об'єднання, хоча в даний час, мабуть, немає жодних надій безпосередньо досягти цієї межі, не кажучи вже про масштаб маси Планка.
Чи означає це, що ми ніколи не зможемо спостерігати проявів початкової суперсили та невидимих семи вимірів простору. Використовуючи такі технічні засоби, як надпровідний суперколайдер, ми швидко просуваємося за шкалою енергій, що досягаються в земних умовах. Однак техніка, що створюється людьми, аж ніяк не вичерпує всіх можливостей – існує і сама природа. Всесвіт є гігантською природною лабораторією, в якій 18 млрд. років тому було "проведено" найбільший експеримент у галузі фізики елементарних частинок. Ми називаємо цей експеримент "Великим вибухом". Як буде сказано далі, цієї початкової події виявилося достатньо для вивільнення – хоч і на дуже коротку мить – суперсили. Втім, цього, мабуть, виявилося достатньо, щоби примарне існування суперсили назавжди залишило свій слід. [Якушев А. С. Основні концепції сучасного природознавства. - М., Факт-М, 2001, с. 165.]
Час подібний до річки, що несе події, що проходять повз, і течія її сильно; тільки щось здасться вам на очі - а його вже забрало, і видно щось інше, що теж незабаром понесе.
Марк Аврелій
Кожен із нас прагне створити цілісну картинусвіту, включаючи картину Всесвіту, від найдрібніших субатомних частинокдо найбільших масштабів. Але закони фізики часом настільки дивні та контрінтуїтивні, що це завдання може стати непосильним для тих, хто не став професійними теоритичними фізиками.
Читач запитує:
Хоча це і не астрономія, але, можливо, ви підкажете. Сильна взаємодія переноситься глюонами та пов'язує кварки та глюони разом. Електромагнітне переноситься фотонами та пов'язує електричні заряджені частинки. Гравітація, ймовірно, переноситься гравітонами та пов'язує всі частинки з масою. Слабке переноситься W та Z частинками, і … пов'язане з розпадом? Чому слабку взаємодію описують саме так? Чи відповідальна слабка взаємодія за тяжіння та/або відштовхування будь-яких частинок? І яких? А якщо ні, чому тоді це одна з фундаментальних взаємодій, якщо вона не пов'язана з жодними силами? Дякую.
Давайте розберемося в основах. У всесвіті існує чотири фундаментальні взаємодії – гравітація, електромагнетизм, сильна ядерна взаємодія та слабка ядерна взаємодія.
І все це – взаємодії, сили. Для частинок, стан яких можна виміряти, додаток сили змінює її момент – у звичайному житті у разі ми говоримо про прискоренні. І для трьох із зазначених сил це так і є.
У разі гравітації, загальна сумаенергії (переважно маси, але сюди входить вся енергія) викривляє простір-час, і рух інших частинок змінюється у присутності всього, що має енергію. Так воно працює у класичній (не квантовій) теорії гравітації. Може, і є більше загальна теорія, квантової гравітаціїде відбувається обмін гравітонами, що призводить до того, що ми спостерігаємо як гравітаційну взаємодію.
Перед тим, як продовжити, з'ясуйте:
- Частки мають властивість або щось притаманне їм, що дозволяє їм відчувати (або не відчувати) певний тип сили
- Інші частки, які переносять взаємодії, взаємодіють із першими
- Внаслідок взаємодій частки змінюють момент, або прискорюються
В електромагнетизм основна властивість - електричний заряд. На відміну від гравітації, може бути позитивним чи негативним. Фотон, частка, що переносить взаємодію, пов'язану із зарядом, призводить до того, що однакові зарядивідштовхуються, а розрізняються – притягуються.
Варто зазначити, що заряди, що рухаються, або електричні струми, відчувають ще один прояв електромагнетизму - магнетизм. З гравітацією відбувається те саме, і називається гравітомагнетизм (або гравітоелектромагнетизм). Поглиблюватися не будемо – суть у тому, що є не лише заряд та переносник сили, а й струми.
Є ще сильна ядерна взаємодія, яка має три типи зарядів. Хоча у всіх частинок є енергія, і вони всі схильні до гравітації, і хоча кварки, половина лептонів і пара бозонів містять електричні заряди - тільки у кварків і глюонів є кольоровий заряд, і вони можуть відчувати сильну ядерну взаємодію.
Мас скрізь багато, тож гравітацію спостерігати легко. А оскільки сильна взаємодія та електромагнетизм досить сильні, їх також легко спостерігати.
Але що щодо останнього? Слабкої взаємодії?
Про нього ми зазвичай говоримо у контексті радіоактивного розпаду. Тяжкі кварк або лептон розпадаються на легкі та стабільніші. Так, слабка взаємодія має до цього стосунок. Але в даному прикладівоно якось відрізняється від інших сил.
Виявляється, що слабка взаємодія теж сила, просто про неї нечасто розповідають. Адже вона слабка! У 10 000 000 разів слабше, ніж електромагнетизм, на дистанції завдовжки діаметр протона.
Заряджена частка завжди має заряд, незалежно від того, рухається вона чи ні. Але електричний струм, створюваний нею, залежить від її руху щодо інших часток. Струм визначає магнетизм, який так само важливий, як і електрична частина електромагнетизму. У складових частинок на кшталт протона і нейтрону є суттєві магнітні моменти, як і електрона.
Кварки та лептони бувають шести ароматів. Кварки - верхній, нижній, дивний, зачарований, чарівний, істинний (згідно з їх літерними позначеннями в латиниці u, d, s, c, t, b - up, down, strange, charm, top, bottom). Лептони – електрон, електрон-нейтрино, мюон, мюон-нейтрино, тау, тау-нейтрино. Кожен з них має електричний заряд, але також і аромат. Якщо ми об'єднаємо електромагнетизм і слабку взаємодію, щоб отримати електрослабку взаємодію, то у кожної з частинок буде якийсь слабкий заряд, або електрослабкий струм, і константа слабкої взаємодії. Все це описано в Стандартній моделі, але перевірити це було досить складно, оскільки електромагнетизм настільки сильний.
У новому експерименті, результати якого нещодавно були опубліковані, вперше було виміряно внесок слабкої взаємодії. Експеримент дозволив визначити слабку взаємодію верхніх та нижніх кварків
І слабкі заряди протону та нейтрону. Передбачення Стандартної моделі для слабких зарядів були такі:
Q W (p) = 0.0710 ± 0.0007,
Q W (n) = -0.9890±0.0007.
А за результатами розсіювання експеримент видав такі значення:
Q W (p) = 0.063 ± 0.012,
Q W (n) = -0.975±0.010.
Що добре співпадає з теорією з урахуванням похибки. Експериментатори кажуть, що, обробивши більше даних, вони ще зменшать похибку. І якщо там будуть якісь сюрпризи чи розбіжності зі Стандартною моделлю, Це буде круто! Але на це ніщо не вказує:
Тому частинки мають слабкий заряд, але ми про нього не поширюємося, оскільки його неможливо важко виміряти. Але ми все-таки зробили це, і зважаючи на все, знову підтвердили Стандартну модель.
Читачеві знайомі різні за своєю природою сили, що виявляються у взаємодіяхміж тілами. Але глибоко різняться у принципі типів взаємодіїдуже мало. Якщо не брати до уваги тяжіння, яке відіграє істотну роль тільки в присутності величезних мас, то відомі лише три види взаємодій: сильні, електромагнітні та слабкі.
Електромагнітні взаємодіївсім знайомі. Завдяки їм електричний заряд, що рухається нерівномірно (скажімо, електрон в атомі) випускає електромагнітні хвилі(наприклад, видиме світло). З цим класом взаємодій пов'язані всі хімічні процеси, а також усі молекулярні явища - поверхневий натяг, капілярність, адсорбція, плинність. Електромагнітні взаємодії, теорія яких блискуче підтверджується досвідом, глибоко пов'язана з електричним зарядом елементарних частинок.
Сильні взаємодіїстали відомі лише після розкриття внутрішньої структури атомного ядра. У 1932 р. було виявлено, що воно складається з нуклонів, нейтронів та протонів. І саме сильні взаємодіїз'єднують нуклони в ядрі - відповідають за ядерні сили, які на відміну від електромагнітних характеризуються дуже малим радіусом дії (близько 10-13, тобто однієї десятитрильйонної частки сантиметра) та великою інтенсивністю. Крім цього, сильні взаємодіїз'являються при зіткненнях частиноквисоких енергії за участю півоній і так званих "дивних" частинок.
Інтенсивність взаємодій зручно оцінювати за так званою довжиною вільного пробігу частиноку деякій речовині, тобто. по середній величинішляху, який часткаможе пройти в цій речовині до руйнівного або сильно відхиляє зіткнення. Зрозуміло, що більше довжина вільного пробігу, тим менш інтенсивно взаємодія.
Якщо розглядати частинкидуже високої енергії, то зіткнення, зумовлені сильними взаємодіями, характеризуються довжиною вільного пробігу частинок, що відповідає по порядку величини десяткам сантиметрів у міді чи залізі
Інакше справа при слабких взаємодіях. Як ми вже сказали, довжина вільного пробігу нейтрино в щільній речовині вимірюється в астрономічних одиницях. Це вказує на напрочуд малу інтенсивність слабких взаємодій.
Будь-який процес взаємодії елементарних частинокхарактеризується деяким часом, що визначає його середню тривалість. Процеси, спричинені слабкими взаємодіями, часто називають "повільними", тому що час для них відносно великий.
Читач, щоправда, може здивуватися з того що явище, що відбувається, скажімо, за 10-6 (одну мільйонну частку) секунди, класифікується як повільне. Такий час життя характерний, наприклад, для розпаду мюона, спричиненого слабкими взаємодіями. Але все пізнається порівняно. У світі елементарних частиноктакий проміжок часу справді дуже тривалий. Природною одиницеюдовжини в мікросвіті служить 10-13 сантиметрів - радіус дії ядерних сил. А оскільки елементарні частинкивисокої енергії мають швидкість, близьку до швидкості світла (близько 1010 сантиметрів на секунду), то "нормальний" масштаб часу для них становитиме 10-23 секунди.
Це означає, що час 10-6 секунд для "громадян" мікросвіту набагато триваліший, ніж для нас з вами весь період існування життя на Землі
теорії електрослабкої взаємодії
Урок-лекція пояснення нового матеріалу, 2 ч. 11 клас
Ви вже знаєте, що всі сили в природі зводяться до опису гравітаційної, електромагнітної та сильної взаємодіїй чи їх сукупностей. Гравітаційна взаємодія притаманна всім матеріальним об'єктам. До електромагнітного зводяться як взаємодія між зарядженими тілами і частинками, а й пружні, в'язкі, молекулярні, хімічні та інші взаємодії. Сильна взаємодія утримує нуклони в атомних ядрах і визначає різні перетворення частинок одна на одну.Сьогодні ми розглянемо ще один, 4-й, тип фундаментальних взаємодій, що не зводиться до жодного з названих, – слабка взаємодія. Дізнаємося разючий фактщо на малих відстанях слабка взаємодія стає невідмінною від електромагнітного.
Слабка взаємодія. Слабкою ця взаємодія називається невипадково. По-перше, його прояви рідко зустрічаються в нашій повсякденному житті, тоді як ми давно звикли до різних проявів гравітаційної та електромагнітної взаємодій (наприклад, падіння всіх тіл на Землю, тертя, блискавка та ін), до результатів дії ядерних сил, що забезпечують стабільність навколишнього речовини. По-друге, це взаємодія справді є слабким, т.к. його інтенсивність при низьких енергіях, що не перевищують 1 ГеВ – енергії спокою протона, – у мільярди разів менша, ніж інтенсивність сильної та електромагнітної взаємодій.
Крім того, досвід показує, що сильна та електромагнітна взаємодія можуть забезпечувати як різні перетворення частинок, так і цілісність якогось матеріального об'єкта (наприклад, сильна взаємодія забезпечує цілісність ядра, електромагнітна взаємодія – цілісність кристалічних ґрат). Сили слабкої взаємодії не вистачає, щоб утримувати частки один біля одного (тобто утворювати пов'язані стани). Воно може виявлятися тільки при розпадах та взаємних перетвореннях частинок.
Незважаючи на всі слабкості взаємодії, воно має дуже велике значення. Саме ця взаємодія на мікрорівні відповідає за виділення енергії у зірках, у тому числі й на Сонці. Можна сказати, що ми в прямому значенніне можемо жити без цієї взаємодії! Крім того, відомий вам-розпад радіоактивних ядер також відбувається за рахунок слабкої взаємодії.
Отже, які основні властивості слабкої взаємодії?
– Слабка взаємодія при низьких енергіях набагато слабше сильної та електромагнітної взаємодій;
- слабка взаємодія є короткодіючим: радіус його дії близько 10 -18 м;
- слабка взаємодія універсально: у ньому беруть участь практично всі частинки, крім фотонів. Крім того, є частинки, які беруть участь тількиу слабкій взаємодії, наприклад, нейтрино та антинейтрино;
– при слабкій взаємодії не виконуються деякі, здавалося б, загальні закони збереження (це питання розглянуто у матеріалі для самостійного вивчення, Див. далі).
Як відомо, кожна із взаємодій здійснюється за допомогою особливих елементарних частинок – переносників тієї чи іншої взаємодії. Наприклад, фотони – переносники електромагнітної взаємодії, глюони – переносники сильної взаємодії. В даний час вчені намагаються відкрити переносників гравітаційної взаємодії- Гравітони.
Переносниками слабкої взаємодії є проміжні векторні бозони. Їх відомо 3 види: W – , W + , Z 0 . Ці частинки мають дуже великі маси: m W 85m p, m Z 96m p, де m p- Маса протона.
Опишемо докладніше роль проміжних бозонів у слабкої взаємодії. Наприклад, при -розпаді кварк dз нейтрону випускає W- Бозон і перетворюється на кварк u, Так що нейтрон перетворюється на протон: du + W– , – а потім W– -бозон розпадається на електрон та антинейтрино: [Однак слід підкреслити, що через дуже великої маси W-Бозона ефективно -Розпад відбувається так, що весь внутрішній «пристрій» слабких взаємодій не проявляється і відображається тільки в малій константі взаємодії. Але якщо вивчати процеси слабкої взаємодії при енергіях, які можна порівняти з масою W(тобто порядку 100 ГеВ), то тут внесок W-бозон виразно проявляється. - ред.]
2. Єдина електрослабка взаємодія. Подальші теоретичні дослідження сприяли тому, що картина фундаментальних взаємодій стала спрощуватися. Виявилося, що електромагнітні та слабкі взаємодії є проявом однієї й тієї ж взаємодії, яка отримала назву електрослабкої взаємодії. Цю думку вперше висловили (незалежно один від одного) у 1967 р. С.Вайнбергі А.Салам, висунувши таку гіпотезу: природа слабкого та електромагнітного взаємодій єдина, т.к. на малих відстанях слабкі взаємодії порівнюються за силою з електромагнітними, і різниця між проміжними векторними бозонами та фотонами стирається. Іншими словами, при енергіях, що перевищують кілька сотень гігаелектронвольт, електромагнітна і слабка взаємодії стають нерозрізняними за інтенсивністю, вони ніби зливаються в одне електрослабка взаємодія.
Зауважимо, що Вайнберг і Салам спиралися на раніше висловлене припущення, що переносниками слабкої взаємодії є проміжні векторні бозони. Експериментально ці частки були відкриті набагато пізніше (1983 р.).
3. Обґрунтування гіпотези Вайнберга-Салама. Вайнберг та Салам дійшли висновку про існування єдиної електрослабкої взаємодії на основі нових фундаментальних фізичних ідей:
1) локальної калібрувальної інваріантності;
2) спонтанного порушення симетрії.
З гіпотези випливає, що на малих відстанях проміжні векторні бозони не відрізняються за своїми властивостями від фотонів, а це означає, що проміжні векторні бозони і фотони – це, по суті, два прояви однієї й тієї ж частки переносника електрослабкої взаємодії (інакше сила взаємодії не може бути однаковою). Це можливо лише тоді, коли виконується принцип локальної калібрувальної інваріантності (симетрії),(Див. схему).
З'ясувалося, що з зміні масштабу, тобто. при зменшенні відстані переносники електрослабкої взаємодії переходять з одного свого прояву - фотонів - в інший свій прояв - проміжні векторні бозони, - але обмін ними здійснюється так само легко.
Але тут постало нове питання: яким чином проміжні векторні бозони і фотони можуть бути проявами тих самих частинок, якщо у фотонів маса дорівнює нулю, а проміжні векторні бозони мають дуже великі маси? Оскільки це одні й самі частки, їх маси повинні збігатися. Здавалося, що виникла безвихідь.
Виявилося, що проміжні векторні бозони здатні набувати своєї маси в результаті якогось механізму, який називається спонтанним порушенням симетрії. Цей механізм дуже складний, але спробуємо розглянути його суть кількох простих прикладах.
Закони руху окремих атомів задовольняють принцип просторової симетрії, тобто. не змінюються при русі атома по різним напрямкам. Але при освіті кристала ця симетрія сама порушується, і властивості кристала за різними напрямками вже не будуть однаковими. Таким чином, у кристала в порівнянні з вільними атомами з'являється багато специфічних властивостейнаприклад, здатність намагнічуватися.
Кулька, що знаходиться в центрі піднесеного дна пляшки, буде в рівновазі. Система при цьому має осьову симетрію. Однак це положення рівноваги нестійке. Надана сама собі кулька під впливом скільки завгодно малого обурення скотиться на увігнуте дно. Це становище кульки стійко, т.к. йому відповідає мінімум потенційної енергіїу полі тяжкості Землі. Початкова осьова симетріястану виявиться спонтанно порушеною.
Аналогічно, у найзагальніших рисах, механізм спонтанного порушення локальної калібрувальної симетрії, яка забезпечує «безмасовість» проміжних векторних бозонів та їх ідентичність фотонів, призводить до появи маси у проміжних векторних бозонів і тим самим до відмінностей у зовнішньому прояві слабкого та електромагнітного взаємодій.
Викладені вище положення становлять єдину теорію електрослабкої взаємодії. Саме з неї випливало існування трьох видівпроміжних векторних бозонів W – , W + , Z 0, а також передбачені значення їх мас.
Експериментальне відкриття проміжних векторних бозонів 1983 р. підтвердило справедливість єдиної теорії електрослабкої взаємодії. З цими експериментами вам також пропонується ознайомитись самостійно (питання викладено у матеріалі для самостійного вивчення).
Таким чином, замість чотирьох фундаментальних взаємодій можна говорити лише про три: гравітаційне, сильне і електрослабке.
Матеріал для самостійного вивчення
1. Невиконання законів збереження за слабкої взаємодії.Виявилося, що з слабкому взаємодії не виконуються деякі, здавалося б, загальні закони збереження, виконуються за інших трьох фундаментальних взаємодіях (див. схему).
Розглянемо закони, які виконуються при слабкому взаємодії.
Закон збереження просторової парності ( P-парності).Кажуть, що закон збереження просторової парностіу процесі виконується, якщо є дзеркально симетричним, тобто. протікає абсолютно однаково як праворуч, так і ліворуч щодо якогось обраного центру. Іншими словами, сам процес та його дзеркальне відображення протікають абсолютно однаково.
У 1957 р. Ц.Ву було встановлено, що закон збереження парності не виконується при слабких взаємодіях. Деяка речовина, що містить активний ізотоп кобальту, поміщалося всередину котушки зі струмом, що створює магнітне поле (поле необхідне для впорядкування орієнтації спинів і власних магнітних моментів ядер). Виявилося, що з одного боку (наприклад, вгору) випускалося приблизно на 40% більше електронів, ніж з іншого.
Досвід на реальній установці (вгорі) та його відображення у дзеркалі (внизу)
При дзеркальному відображенні всієї картини, наприклад, щодо дзеркала, що знаходиться внизу, ми побачимо зовсім інше явище (більшість електронів вилітають вниз, хоча поле У кругового струму, як і раніше, направлено вгору). Щоб явище -розпаду в дзеркалі протікало так само, має змінитися напрямок «переважного» випромінювання електронів (вгору). В наявності порушення закону збереження просторової парності, якого не було, якби електрони з рівною ймовірністю випускалися як вгору, і вниз.
Явище незбереження просторової парності при слабкому взаємодії можна проілюструвати і так. Частки, що народжуються при слабкій взаємодії (електрони, мюони, таони) є поздовжньо-поляризованими. Це означає, що вони мають власний моментімпульсу – спин j , який для цієї частки завжди або направлений з імпульсом частки p , Або спрямований протилежно. При дзеркальному відображенні у цих частинок зазначені векторизмінюють напрямок по-різному. Спин напрямки не змінює, а імпульс змінює. Однак частинок із отриманим розташуванням p і j просто не існує, тому в дзеркалі процес протікає інакше.
Частка з поздовжньою поляризацією: а) падіння; б) відображення
2. Відкриття проміжних вектор бозонів.У 1983 р. існування проміжних векторних бозонів експериментально підтверджено. Відомо, що основним методом дослідження фізики елементарних частинок є метод розсіювання, тобто. зіткнення різних частинок один з одним, у результаті якого народжуються нові частки. Останнім часом широко застосовуються колайдери - прискорювачі, в яких стикаються два пучки частинок з нульовим сумарним імпульсом (частки з різних пучків мають рівні за модулем, але протилежно направлені імпульси). Кажуть, що процес розглядається в системі центру інерції часток, що стикаються. Нові частки, що народжуються в колайдері, реєструються різними детекторами.
Отже, зіткнемо протонний і антипротонний пучки, у кожному з яких енергія частки дорівнює Е. Тоді сумарна енергія зіткнення двох частинок дорівнює 2 Е. За умови 2 Е > Мс 2 у цьому зіткненні може бути народжена частка масою М. Розглянемо процес: 
, де Х– це набір різноманітних станів, наприклад,
Народження проміжних векторних бозонів проілюструємо діаграмою.
Кварк uз протону і антикварк з антипротону можуть злитися в W+ (Це показано на діаграмі). Аналогічно, пари можуть дати при злитті Z 9 -бозон, пара - W-Бозон. Але народившись, ці частинки швидко розпадаються. Наприклад, та ін.
Позитрон або позитивно заряджений мюон з високою ефективністюможуть бути зареєстровані детекторами, і це буде ознакою народження проміжного векторного бозона. Нейтрино при цьому відлітають, забираючи значну частину енергії.
Експериментальне відкриття векторних проміжних бозонів підтвердило справедливість єдиної теорії електрослабкої взаємодії.
Запитання для самоконтролю
1. Перерахуйте та поясніть закони збереження, які виконуються при слабкій взаємодії.
2. У чому суть закону збереження просторової парності?
3. Поясніть, як було доведено невиконання закону збереження просторової парності при слабкому взаємодії. Коли і ким був проведений цей досвід?
4. Як ще можна проілюструвати явище незбереження просторової парності при слабкому взаємодії?
5. Чим відрізняється закон збереження просторової парності від закону збереження комбінованої парності? Чому не можна говорити про його здійсненність для слабкої взаємодії?
6. Для чого були введені дивина і чари? Які значення вони можуть набувати? Що можна сказати про збереження цих величин за слабкої взаємодії?
7. Чим відрізняється ізотопічний спин від ізотопічного мультиплет? Наведіть приклад ізотопічного мультиплет. Чи завжди закон збереження ізоспину не виконується за слабкої взаємодії?
8. Як ви вважаєте, чому до побудови колайдерів не вдалося експериментально довести існування проміжних векторних бозонів?
9. Поясніть процес народження проміжних векторних бозонів у колайдері.
10. Яким чином реєструються проміжні векторні бозони, що народжуються в колайдері?
Література
Мякішев Г.Я. Елементарні частинки. - М.: Наука, 1979.
Методичні вказівки з курсу «Фізика атомного ядра та елементарних частинок»: Упоряд. Василевський А.С. Ч. 1, 2. - Кіров: ДПІ, 1990.
Мухін К.М. Цікава ядерна фізика. - М.: Вища школа, 1985.
Наумов А.І. Фізика атомного ядра та елементарних частинок. - М.: Просвітництво, 1984.
Окунь Л.Б. Фізика елементарних частинок. - М.: Наука, 1988.
Орір Дж. Популярна фізика. - М.: Світ, 1964.
Фізика елементарних частинок. Астрофізика: Енциклопедія "Сучасне природознавство". Т. 4. - М.: ВД Магістр-Прес, 2000.
Випускник Кіровського ГПУ 1996 р., учитель фізики вищої кваліфікаційної категорії, педагогічний стаж 9 років, методист, к.п.н. Одружений, має двох дітей.
Студентка 5-го курсу фізичного факультету ВятДГУ.
Ця взаємодія є найбільш слабкою з фундаментальних взаємодій, що експериментально спостерігаються в розпадах елементарних частинок, де принципово суттєвими є квантові ефекти. Нагадаємо, що квантові прояви гравітаційної взаємодії ніколи не спостерігалися. Слабка взаємодія виділяється за допомогою наступного правила: якщо в процесі взаємодії бере участь елементарна частка, звана нейтрино (або антинейтрино), то ця взаємодія є слабкою.
Типовий приклад слабкої взаємодії – це бета-розпад нейтрону, де n- нейтрон, p- Протон, e– – електрон, е+ - Електронне антинейтрино. Слід, проте, пам'ятати, що зазначене вище правило зовсім отже, будь-який акт слабкого взаємодії повинен супроводжуватися нейтрино чи антинейтрино. Відомо, що має місце велика кількістьбезнейтринних розпадів. Як приклад можна відзначити процес розпаду лямбда-гіперону D на протон p+ і негативно заряджений півонія p- . за сучасним уявленнямнейтрон і протон є істинно елементарними частинками, а складаються з елементарних частинок, званих кварками.
Інтенсивність слабкої взаємодії характеризується константою зв'язку Фермі G F. Константа G Fрозмірна. Щоб утворити безрозмірну величину, необхідно використовувати якусь еталонну масу, наприклад, масу протона m p. Тоді безрозмірна константа зв'язку буде. Видно, що слабка взаємодія набагато інтенсивніша за гравітаційну.
Слабка взаємодія на відміну від гравітаційного є короткодіючим. Це означає, що слабка взаємодія між частинками починає діяти тільки якщо частинки знаходяться досить близько один до одного. Якщо ж відстань між частинками перевершує деяку величину, яка називається характерним радіусом взаємодії, слабка взаємодія не проявляє себе. Експериментально встановлено, що характерний радіус слабкої взаємодії близько 10-15 см, тобто слабка взаємодія, зосереджений на відстанях менше розміріватомного ядра.
Чому можна говорити про слабку взаємодію як про незалежний вид фундаментальних взаємодій? Відповідь проста. Встановлено, що є процеси перетворень елементарних частинок, які не зводяться до гравітаційних, електромагнітних та сильних взаємодій. Гарний приклад, що показує, що існують три якісно різних взаємодії в ядерних явищ, пов'язаний із радіоактивністю. Експерименти вказують на наявність трьох різних видіврадіоактивності: α-, β- та γ-радіоактивних розпадів. При цьому α-розпад обумовлений сильною взаємодією, γ-розпад – електромагнітним. β-розпад, що залишився, не може бути пояснений електромагнітною і сильною взаємодією, і ми змушені прийняти, що є ще одна фундаментальна взаємодія, названа слабкою. У загальному випадкунеобхідність запровадження слабкої взаємодії обумовлена тим, що у природі відбуваються процеси, у яких електромагнітні та сильні розпадизаборонено законами збереження.
Хоча слабка взаємодія суттєво зосереджена всередині ядра, вона має певні макроскопічні прояви. Як ми вже зазначали, воно пов'язане з β-радіоактивністю. Крім того, слабка взаємодія грає важливу рольу так званих термоядерних реакціях, відповідальних за механізм енерговиділення у зірках.
Найдивовижнішою властивістюслабкої взаємодії є існування процесів, у яких проявляється дзеркальна асиметрія. На перший погляд здається очевидним, що різниця між поняттями ліве та праве умовна. Дійсно, процеси гравітаційної, електромагнітної та сильної взаємодії інваріантні щодо просторової інверсії, що здійснює дзеркальне відображення. Кажуть, що у таких процесах зберігається просторова парність P. Проте експериментально встановлено, що слабкі процесиможуть протікати з незбереженням просторової парності і, отже, відчувають різницю між лівим і правим. В даний час є тверді експериментальні докази, що незбереження парності в слабких взаємодіях носить універсальний характер, воно проявляє себе не тільки в розпадах елементарних частинок, але і в ядерних і навіть атомних явищ. Слід визнати, що дзеркальна асиметрія є властивістю Природи на фундаментальному рівні.
Незбереження парності у слабких взаємодіях виглядало настільки незвичайною властивістю, Що практично відразу після його відкриття теоретики спробували показати, що насправді існує повна симетрія між лівим і правим, тільки вона має більше глибокий сенс, Чим це раніше вважалося. Дзеркальне відображення має супроводжуватися заміною частинок на античастинки (зарядове сполучення C), і тоді все фундаментальні взаємодіїмають бути інваріантними. Однак пізніше було встановлено, що ця інваріантність не універсальна. Існують слабкі розпади про довгоживучих нейтральних каонів на півонії p + , p – , заборонені, якби зазначена інваріантність реально мала місце. Таким чином, відмінною властивістюслабкої взаємодії є його CP-неінваріантність. Можливо, що ця властивість відповідальна за те, що речовина у Всесвіті значно превалює над антиречовиною, побудованою з античастинок. Світ та антисвіт несиметричні.
Питання, які частки є переносниками слабкої взаємодії, довгий часбув незрозумілий. Розуміння вдалося досягти порівняно недавно у рамках об'єднаної теорії електрослабких взаємодій – теорії Вайнберга-Салама-Глешоу. Нині загальноприйнято, що переносниками слабкої взаємодії є звані W + - і Z 0 -бозони. Це заряджені W+ та нейтральна Z 0 елементарні часткизі спином 1 та масами, рівними по порядку величини 100 m p.