Фундаментальные взаимодействия 1. Четыре вида фундаментальных взаимодействий

• Перевод

Автор статьи – Дон Линкольн, старший учёный в лаборатории при БАК Fermilab, работающей под эгидой энергетического департамента США. Недавно написал книгу "Большой адронный коллайдер: необычная история бозона Хиггса и другие вещи, которые вас поразят ".

У науки с интернетом сложные взаимоотношения: наука движется вперёд путём осторожной и тщательной оценки данных и теории, и этот процесс может идти годами. А в интернете способность аудитории к концентрации напоминает диснеевскую рыбку Дори из мультика «В поисках Немо» (А теперь и «В поисках Дори») – тут мем, здесь фотка звезды… Ой, смотрите – смешной котик…

Поэтому люди, интересующиеся серьёзной наукой, должны осторожно относиться к информации, выложенной в интернете, заявляющей о научном исследовании, кардинально меняющем парадигму науки. Недавний пример – статья, в которой утверждается о возможном открытии пятого фундаментального взаимодействия. Если бы это было так, нам бы пришлось переписывать учебники.

Как физик, я хочу пролить дисциплинированный научный свет на это заявление.

Пятое взаимодействие

В статье , отправленной 7 апреля 2015 года на сайт arXiv, группа венгерских исследователей описала изучение поведения интенсивного пучка протонов на тонких литиевых мишенях. Обнаруженные столкновения создавали возбуждённые ядра бериллия-8, распадавшегося на обычный беррилий-8 и пары электрон-позитрон.

Они заявили, что полученные ими данные нельзя объяснить известными физическими явлениями в Стандартной модели, заправляющей современной физикой частиц. Но объяснение этих данных было возможно при существовании неизвестной доселе частицы массой в 17 миллионов эВ, что в 32,7 раз тяжелее электрона, или составляет 2% от массы протона. Частицы, появляющиеся при таких энергиях, довольно низких по современным меркам, хорошо изучены. И было бы весьма неожиданно, если бы там была обнаружена новая.

Однако измерения перенесли экспертную оценку и были опубликованы 26 января 2016 года в журнале Physical Review Letters , одном из самых престижных журналов по физике мира. В этой публикации исследователи и их исследование преодолели впечатляющее препятствие.

Это измерение мало кто замечал до тех пор, пока на него не обратила внимание группа физиков-теоретиков из Калифорнийского университета в Ирвине (UCI). И как обычно поступают теоретики со спорными физическими измерениями, команда сравнила их с имеющимися работами, собранными за последнюю сотню лет, чтобы увидеть, соответствуют ли новые данные с уже собранной информацией. В этом случае они вели сравнение с десятком опубликованных исследований.

Они обнаружили, что хотя измерения и не конфликтуют с предыдущими исследованиями, в них наблюдается нечто, чего раньше не встречалось – и нечто, чего нельзя объяснить Стандартной моделью.

Новая теоретическая платформа

Теория эта весьма экзотична. Они начали с разумного предположения, что новая возможная частица не объясняется существующей теорией. Это имеет смысл, поскольку у возможной новой частицы малая масса, и если бы она описывалась известными законами физики, её бы нашли раньше. Если эта частица подчиняется новым законам физики, возможно, присутствует и новое взаимодействие. Поскольку традиционно физики говорят о четырёх известных фундаментальных взаимодействиях (гравитация, электромагнетизм, сильное и слабое), это новое гипотетическое взаимодействие назвали «пятым».

История теорий и открытий пятого взаимодействия довольно разнообразна, она насчитывает несколько десятилетий, и в её рамках новые измерения и идеи возникали, чтобы потом исчезнуть. С другой стороны, существуют загадки, не объясняемые обычной физикой – например, тёмная материя. Хотя тёмную материю всегда моделировали как единственную форму стабильной массивной частицы, испытывающей гравитацию и ни одну из других известных сил, нет причин, по которым тёмная материя не участвовала бы в таких взаимодействиях, в которых не принимает участие обычная. Ведь обычная материя участвует во взаимодействиях, в которых не участвует тёмная – так что тут нет ничего глупого.

Есть много идей о взаимодействиях, влияющих только на тёмную материю, и все они в общем называются "сложная тёмная материя ". Одна из известных идей говорит о существовании тёмного фотона, взаимодействующего с тёмным зарядом, переносимым только тёмной материей. Эта частица – тёмный аналог фотона обычной материи, взаимодействующего с известным нам электрическим зарядом, но с одним исключением: некоторые теории сложной тёмной материи наделяют тёмные фотоны массой, в отличие от обычных фотонов.

Если тёмные фотоны существуют, они могут связываться с обычной материей (и обычными фотонами) и распадаться на электрон-позитронные пары, которые и исследовала группа венгерских учёных. Поскольку тёмные фотоны не взаимодействуют с обычным электрическим зарядом, эта связь может возникнуть лишь благодаря причудам квантовой механики. Но если учёные начали наблюдать увеличение электрон-позитронных пар, это может означать, что они наблюдают тёмные фотоны.

Ирвинская группа нашла модель, включающую «протофобную» частицу, не исключаемую ранними измерениями, способную объяснить венгерский результат. «Протофобные», то есть «избегающие протонов» частицы, редко или почти никогда не взаимодействуют с протонами, но могут взаимодействовать с нейтронами (нейтрофильные).

Частица, предложенная ирвинской группой, участвует в пятом, неизвестном взаимодействии, проявляющемся на расстоянии в 12 фемтометров, или в 12 раз большем, чем размер протона. Частица протофобная и нейтрофильная. Масса частицы составляет 17 миллионов эВ и может распадаться на электрон-позитронные пары. В дополнение к объяснению венгерского эксперимента, такая частица могла бы объяснить и некоторые несоответствия, обнаруженные в других экспериментах. Последнее добавляет немного веса этой идее.

Взаимодействие, меняющее парадигму?

Что может оказаться правдой? Данные – это главное. Потребуются другие эксперименты, чтобы подтвердить или опровергнуть изменения. Всё остальное неважно. Но на это потребуется около года, и было бы неплохо придумать какую-нибудь идею за это время. Лучший способ оценки вероятности того, что открытие окажется настоящим, это изучение репутации исследователей, участвовавших в эксперименте. Это, конечно, вульгарный способ заниматься наукой, но он может приглушить ваши ожидания.

Начнём с ирвинской группы. Многие из них (особенно руководители) имеют хорошую репутацию и являются устоявшимися экспертами в области, и у них в резюме есть хорошие работы. Возраст группы разный, есть и пожилые, и молодые участники. Некоторых из них я знаю лично, двое из них читали теоретические части в главах книги, которую я написал, чтобы удостовериться в том, что я не наговорил там глупостей (Кстати, ошибок они не нашли, но помогли прояснить некоторые моменты). Это объясняет моё уважение к членам ирвинской группы, хотя, возможно, и делает меня предвзятым. Я практически уверен в том, что их работа по сравнению новой модели с существующими данными была тщательной и профессиональной. Они обнаружили небольшой и неисследованный регион возможных теорий.

С другой стороны, сама теория довольно умозрительная и маловероятная. Это не приговор – так можно сказать про все теории. Ведь Стандартная модель, управляющая физикой частиц, известна уже 50 лет и хорошо изучена. Кроме того, все новые теории умозрительные и маловероятные, и большинство из них неверны. Это тоже не приговор. Есть много способов добавить исправления к существующим теориям, чтобы объяснить новые явления. И все не могут быть верны. А иногда ни одна из предлагаемых теорий не оказывается верной.

Однако, можно заключить, исходя из репутации членов группы, что они придумали новую идею и сравнили её со всеми имеющими к ней отношение данными. То, что они опубликовали свою модель, означает, что она прошла их тесты, и осталась правдоподобной, пусть и маловероятной, возможностью.

Что насчёт венгерской группы? Никого из них я не знаю лично, но статью напечатали в Physical Review Letters – это уже идёт им в плюс. Однако эта группа публиковала две предыдущих работы, в которых наблюдались схожие аномалии, включая возможную частицу массой в 12 миллионов эВ, и частицу массой в 14 миллионов эВ . Обе работы были опровергнуты другими экспериментами.

Далее, венгерская группа так и не объяснила, что послужило причинами ошибок в опровергнутых работах. Ещё один звоночек – то, что группа редко публикует данные, не содержащие аномалий. Это маловероятно. В моей исследовательской карьере большинство публикаций подтверждали существующие теории. Повторяющиеся аномалии очень редки.

Так что в итоге? Надо ли радоваться новому возможному открытию? Ну, конечно, возможные открытия – это всегда интересно. Стандартная модель выдерживала проверки 50 лет, но есть и необъяснённые загадки, и научное сообщество всегда ищет открытия, указывающие на новые и недоказанные теории. Но каковы шансы, что это измерение и теория приведут к тому, что научное сообщество примет существование пятого взаимодействия с радиусом действия в 12 фм и частицу, остерегающуюся протонов? Мне кажется, шансов мало. Я не отношусь к идее оптимистически.

Конечно, мнение – это всего лишь мнение, пусть и информирование. Другие эксперименты также будут искать тёмные фотоны, поскольку даже если венгерские измерения не пройдут проверки, проблема тёмной материи будет существовать. Многие эксперименты в поисках тёмных фотонов будут изучать то же пространство параметров (энергию, массу и режимы распада), в которых, по заявлению венгерских исследователей, и найдена аномалия. Скоро, в течение года, мы узнаем, была ли эта аномалия открытием или же ещё одним глюком, временно взбудораживших сообщество, чтобы затем быть отброшенным после получения более аккуратных данных. Но неважно, чем это закончится – всё равно результатом этого будет улучшенная наука.

Теги:

• пятое взаимодействие
• fifth force
• квантовая физика
• стандартная модель

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ, 4 ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ, 4 вида взаимодействия между элементарными частицами, объясняющие все физические явления на микроили макроуровне. К взаимодействию фундаментальному относятся (в порядке возрастания интенсивности) гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное взаимодействия. Гравитационное взаимодействие существует между всеми элементарными частицами и обусловливает гравитационное притяжение всех тел друг к другу на любых расстояниях (смотри Всемирного тяготения закон); оно пренебрежимо мало в физических процессах в микромире, но играет основную роль, например, в космогонии. Слабое взаимодействие проявляется лишь на расстояниях около 10-18 м и обусловливает распадные процессы (например, бета-распад некоторых элементарных частиц и ядер). Электромагнитное взаимодействие существует на любых расстояниях между элементарными частицами, имеющими электрический заряд или магнитный момент; в частности, оно определяет связь электронов и ядер в атомах, а также ответственно за все виды электромагнитных излучений. Сильное взаимодействие проявляется на расстояниях около 10-15 м и обусловливает существование ядер атомов. Возможно, все виды взаимодействий фундаментальных имеют общую природу и служат различными проявлениями единого взаимодействия фундаментального. Это полностью подтверждается для электромагнитного и слабого взаимодействий фундаментальных (так называемое электрослабое взаимодействие). Гипотетическое объединение электрослабого и сильного взаимодействий называется Великим объединением, а всех 4 Взаимодействий фундаментальных - суперобъединением; экспериментальная проверка этих гипотез требует энергий, недостижимых на современных ускорителях.

Современная энциклопедия . 2000 .

Смотреть что такое "ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ, 4" в других словарях:

В физике известны 4 типа: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Для протонов при энергии 1 ГэВ интенсивности обусловленных этими взаимодействиями процессов относятся соответственно как 1:10 2:10 10:10 38. Разработана объединенная… … Большой Энциклопедический словарь

В физике, известны 4 типа: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Для протонов при энергии 1 ГэВ интенсивности процессов, обусловленных этими взаимодействиями, относятся соответственно как 1:10–2:10–10:10–38. Разработана объединённая … Энциклопедический словарь

В физике, известны 4 типа: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Для протонов при энергии 1 ГэВ интенсивности процессов, обусловленных этими взаимодействиями, относятся соответственно как 1:10 2:10 10:10 38. Разработана объединенная … Естествознание. Энциклопедический словарь

Постоянные, входящие в ур ния, описывающие фундам. законы природы и свойства материи. Ф. ф. к. определяют точность, полноту и единство наших представлений об окружающем мире, возникая в теоретич. моделях наблюдаемых явлений в виде универсальных… … Физическая энциклопедия

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЧАСТИЦЫ - частицы микромира, которые в отличие от составных частиц (см.) по современным данным не имеют внутренней структуры и представляют собой (см. (3)). К ним относятся: а) (см.): три различных (см.) электронное υe, мюонное υμ и таонное υτ (а также… … Большая политехническая энциклопедия

Фундаментальные ограничения ограничения, наложенные на какие либо объекты или процессы в Природе или обществе в силу открытых людьми законов (закономерностей) и предложенных гипотез и теорий. Фундаментальные ограничения не являются… … Википедия

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ типы исследований, различающиеся по своим социально культурным ориентациям, по форме организации и трансляции знания, а соответственно по характерным для каждого типа формам взаимодействия… … Философская энциклопедия

- … Википедия

Для улучшения этой статьи желательно?: Викифицировать статью. Фундаментальные физические постоянные (вар.: ко … Википедия

Фундаментальная частица бесструктурная элементарная частица, которую до настоящего времени не удалось описать как составную. В настоящее время термин применяется преимущественно для лептонов и кварков (по 6 частиц каждого рода, вместе с… … Википедия

Книги

• Фундаментальные физические постоянные в историческом и методологическом аспектах , Томилин Константин Александрович. Монография посвящена истории возникновения и развития концепции фундаментальных физических постоянных, играющей центральную роль в современной физике. В первойчасти представлена история…

1.1. Гравитация.

1.2. Электромагнетизм.

1.3. Слабое взаимодействие.

1.4. Проблема единства физики.

2. Классификация элементарных частиц.

2.1. характеристика субатомных частиц.

2.2. лептоны.

2.3. Адроны.

2.4. Частицы – переносчики взаимодействий.

3. Теории элементарных частиц.

3.1. Квантовая электродинамика.

3.2. Теория кварков.

3.3. Теория электрослабого взаимодействия.

3.4. Квантовая хромодинамика.

3.5. На пути к великому объединению.

Список литературы.

Введение.

В середине и второй половине ХХ века в тех разделах физики, которые заняты изучением фундаментальной структуры материи, были получены поистине удивительные результаты. Прежде всего это проявилось в открытии целого множества новых субатомных частиц. Их обычно называют элементарными частицами, но далеко не все из них действительно элементарны. Многие из них в свою очередь состоят из еще более элементарных частичек. Мир субатомных частиц поистине многообразен. К ним относятся протоны и нейтроны, составляющие атомные ядра, а также обращающиеся вокруг ядер электроны. Но есть и такие частицы, которые в окружающем нас веществе практически не встречаются. Время их жизни чрезвычайно мало, оно составляет мельчайшие доли секунды. По истечении этого чрезвычайно короткого времени они распадаются на обычные частицы. Таких нестабильных короткоживущих частиц поразительно много: их известно уже несколько сотен. В 60-70-е годы физики были совершенно сбиты с толку многочисленностью, разнообразием и необычностью вновь открытых субатомных частиц. Казалось, им не будет конца. Совершенно непонятно, для чего столько частиц. Являются ли эти элементарные частицы хаотическими и случайными осколками материи? Или, возможно, они таят в себе ключ к познанию структуры Вселенной? Развитие физики в последующие десятилетия показало, что в существовании такой структуры нет никаких сомнений. В конце ХХ в. физика начинает понимать, каково значение каждой из элементарных частиц. Миру субатомных частиц присущ глубокий и рациональный порядок. В основе этого порядка - фундаментальные физические взаимодействия.

1.Фундаментальные физические взаимодействия.

В свой повседневной жизни человек сталкивается с множеством сил, действующих на тела. Здесь и сила ветра или набегающего потока воды, давление воздуха, мощный выброс взрывающихся химических веществ, мускульная сила человека, вес тяжелых объектов, давление квантов света, притяжение и отталкивание электрических зарядов, сейсмические волны, вызывающие подчас катастрофические разрушения, и вулканические извержения, приводившие к гибели цивилизации, и т. д. Одни силы действуют непосредственно при контакте с телом, другие, например, гравитация, действуют на расстоянии, через пространство. Но, как выяснилось в результате развития теоретического естествознания, несмотря на столь большое разнообразие, все действующие в природе силы можно свести всего лишь к четырем фундаментальным взаимодействиям. Именно эти взаимодействия в конечном счете отвечают за все изменения в мире, именно они являются источником всех преобразований тел и процессов. Изучение свойств фундаментальных взаимодействий составляет главную задачу современной физики.

Гравитация.

В истории физики гравитация (тяготение) стала первым из четырех фундаментальных взаимодействий предметом научного исследования. После появления в ХVII в. ньютоновской теории гравитации - закона всемирного тяготения - удалось впервые осознать истинную роль гравитации как силы природы. Гравитация обладает рядом особенностей, отличающих ее от других фундаментальных взаимодействий. Наиболее удивительной особенностью гравитации является ее малая интенсивность. Величина гравитационного взаимодействия между компонентами атома водорода составляет 10n , где n = - 3 9 , от силы взаимодействия электрических зарядов. (Если бы размеры атома водорода определялись гравитацией, а не взаимодействием между электрическими зарядами, то низшая (самая близкая к ядру) орбита электрона по размерам превосходила бы доступную наблюдению часть Вселенной!) (Если бы размеры атома водорода определялись гравитацией, а не взаимодействием между электрическими зарядами, то низшая (самая близкая к ядру) орбита электрона по размерам превосходила бы доступную наблюдению часть Вселенной!). Может показаться удивительным, что мы вообще ощущаем гравитацию, коль скоро она так слаба. Как она может оказаться господствующей силой во Вселенной? Все дело во второй удивительной черте гравитации - ее универсальности. Ничто во Вселенной не избавлено от гравитации. Каждая частица испытывает на себе действие гравитации и сама является источником гравитации. Поскольку каждая частица вещества вызывает гравитационное притяжение, гравитация возрастает по мере образования все больших скоплений вещества. Мы ощущаем гравитацию в повседневной жизни потому, что все атомы Земли сообща притягивают нас. И хотя действие гравитационного притяжения одного атома пренебрежимо мало, но результирующая сила притяжения со стороны всех атомов может быть значительной. Гравитация - дальнодействующая сила природы. Это означает, что, хотя интенсивность гравитационного взаимодействия убывает с расстоянием, оно распространяется в пространстве и может сказываться на весьма удаленных от источника телах. В астрономическом масштабе гравитационное взаимодействие, как правило, играет главную роль. Благодаря дальнодействию гравитация не позволяет Вселенной развалиться на части: она удерживает планеты на орбитах, звезды в галактиках, галактики в скоплениях, скопления в Метагалактике. Сила гравитации, действующая между частицами, всегда представляет собой силу притяжения: она стремится сблизить частицы. Гравитационное отталкивание никогда еще не наблюдалось (Хотя в традициях квазинаучной мифологии есть целая область, которая называется левитация - поиск "фактов" антигравитации). Поскольку энергия, запасенная в любой частице, всегда положительна и наделяет ее положительной массой, частицы под действием гравитации всегда стремятся сблизиться. Чем является гравитация, неким полем или проявлением искривления пространства-времени, - на этот вопрос пока еще однозначного ответа нет. Как уже отмечалось нами, существуют разные мнения и концепции физиков на сей счет.

Электромагнетизм.

По величине электрические силы намного превосходят гравитационные. В отличие от слабого гравитационного взаимодействия, электрические силы, действующие между телами обычных размеров, можно легко наблюдать. Электромагнетизм известен людям с незапамятных времен (полярные сияния, вспышки молнии и др.). В течение долгого времени электрические и магнитные процессы изучались независимо друг от друга. Как мы уже знаем, решающий шаг в познании электромагнетизма сделал в середине XIX в. Дж. К. Максвелл, объединивший электричество и магнетизм в единой теории электромагнетизма - первой единой теории поля. Существование электрона было твердо установлено в 90-e годы прошлого столетия. Ныне известно, что электрический заряд любой частицы вещества всегда кратен фундаментальной единице заряда - своего рода "атому" заряда. Почему это так - чрезвычайно интересный вопрос. Однако не все материальные частицы являются носителями электрического заряда. Например, фотон и нейтрино электрически нейтральны. В этом отношении электричество отличается от гравитации. Все материальные частицы создают гравитационное поле, тогда как с электромагнитным полем связаны только заряженные частицы. Как и электрические заряды, одноименные магнитные полюса отталкиваются, а разноименные - притягиваются. Однако в отличие от электрических зарядов магнитные полюса встречаются не по отдельности, а только парами - северный полюс и южный полюс. Еще с древнейших времен известны попытки получить посредством разделения магнита лишь один изолированный магнитный полюс - монополь. Но все они заканчивались неудачей. Может быть, существование изолированных магнитных полюсов в природе исключено? Определенного ответа на этот вопрос пока не существует. Некоторые теоретические концепции допускают возможность существования монополя. Как электрическое и гравитационное взаимодействия, взаимодействие магнитных полюсов подчиняется закону обратных квадратов. Следовательно, электрическая и магнитная силы "дальнодействующие", и их действие ощутимо на больших расстояниях от источника. Так, магнитное поле Земли простирается далеко в космическое пространство. Мощное магнитное поле Солнца заполняет всю Солнечную систему. Существуют и галактические магнитные поля. Электромагнитное взаимодействие определяет структуру атомов и отвечает за подавляющее большинство физических и химических явлений и процессов (за исключением ядерных).

Слабое взаимодействие.

К выявлению существования слабого взаимодействия физика продвигалась медленно. Слабое взаимодействие ответственно за распады частиц; и поэтому с его проявлением столкнулись с открытием радиоактивности и исследованием бета-распада. У бета-распада обнаружилась в высшей степени странная особенность. Исследования приводили к выводу, что в этом распаде нарушается один из фундаментальных законов физики - закон сохранения энергии. Казалось, что в этом распаде часть энергии куда-то исчезала. Чтобы "спасти" закон сохранения энергии, В. Паули предположил, что вместе с электроном при бета -распаде вылетает еще одна частица. Она - нейтральная и обладающая необычайно высокой проникающей способностью, вследствие чего ее не удавалось наблюдать. Э. Ферми назвал частицу-невидимку "нейтрино". Но предсказание и обнаружение нейтрино - это только начало проблемы, ее постановка. Нужно было объяснить природу нейтрино, но здесь оставалось много загадочного. Дело в том, что и электроны и нейтрино испускались нестабильными ядрами. Но было неопровержимо доказано, что внутри ядер таких частиц нет. Как же они возникали? Было высказано предположение, что электроны и нейтрино не существуют в ядре в "готовом виде", а каким-то образом образуются из энергии радиоактивного ядра. Дальнейшие исследования показали, что входящие в состав ядра нейтроны, предоставленные самим себе, через несколько минут распадаются на протон, электрон и нейтрино, т.е. вместо одной частицы появляются три новые. Анализ приводил к выводу, что известные силы не могут вызвать такой распад. Он, видимо, порождался какой-то иной, неизвестной силой. Исследования показали, что этой силе соответствует некоторое слабое взаимодействие. Оно гораздо слабее электромагнитного, хотя и сильнее гравитационного. Оно распространяется на очень незначительных расстояниях. Радиус слабого взаимодействия очень мал. Слабое взаимодействие прекращается на расстоянии, большем 10n см (где n = - 1 6) от источника и потому не может влиять на макроскопические объекты, а ограничивается отдельными субатомными частицами. Впоследствии выяснилось, что большинство нестабильных элементарных частиц участвует в слабом взаимодействии. Теория слабого взаимодействия была создана в конце б0-х годов С. Вайнбергом и А. Саламом. С момента построения Максвеллом теории электромагнитного поля создание этой теории явилось самым крупным шагом на пути к единству физики. 10.

Сильное взаимодействие.

Последнее в ряду фундаментальных взаимодействий - сильное взаимодействие, которое является источником огромной энергии. Наиболее характерный пример энергии, высвобождаемой сильным взаимодействием, - это наше Солнце. В недрах Солнца и звезд, начиная с определенного времени, непрерывно протекают термоядерные реакции, вызываемые сильным взаимодействием. Но и человек научился высвобождать сильное взаимодействие: создана водородная бомба, сконструированы и совершенствуются технологии управляемой термоядерной реакции. К представлению о существовании сильного взаимодействия физика шла в ходе изучения структуры атомного ядра. Какая-то сила должна удерживать протоны в ядре, не позволяя им разлетаться под действием электростатического отталкивания. Гравитация для этого слишком слаба; очевидно, необходимо какое-то новое взаимодействие, причем, более сильное, чем электромагнитное. Впоследствии оно было обнаружено. Выяснилось, что хотя по своей величине сильное взаимодействие существенно превосходит все остальные фундаментальные взаимодействия, но за пределами ядра оно не ощущается. Радиус действия новой силы оказался очень малым. Сильное взаимодействие резко падает на расстоянии от протона или нейтрона, превышающем примерно 10n см (где n = - 13). Кроме того, выяснилось, что сильное взаимодействие испытывают не все частицы. Его испытывают протоны и нейтроны, но электроны, нейтрино и фотоны не подвластны ему. В сильном взаимодействии участвуют только более тяжелые частицы. Теоретическое объяснение природы сильного взаимодействия развивалось трудно. Прорыв наметился в начале 60-х годов, когда была предложена кварковая модель. В этой теории нейтроны и протоны рассматриваются не как элементарные частицы, а как составные системы, построенные из кварков. Таким образом, в фундаментальных физических взаимодействиях четко прослеживается различие сил дальнодействующих и близкодействующих. С одной стороны, имеют место взаимодействия неограниченного радиуса действия (гравитация, электромагнетизм), а с другой - взаимодействия малого радиуса действия (сильное и слабое). Мир физических элементов в целом развертывается в единстве этих двух полярностей и является воплощением единства предельно малого и предельно большого - близкодействия в микромире и дальнодействия во всей Вселенной.

Проблема единства физики.

Познание есть обобщение действительности, и поэтому цель науки - поиск единства в природе, связывание разрозненных фрагментов знания в единую картину. Для того чтобы создать единую систему, нужно открыть связующее звено между различными отраслями знания, некоторое фундаментальное отношение. Поиск таких связей и отношений - одна из главных задач научного исследования. Всякий раз, когда удается установить такие новые связи, значительно углубляется понимание окружающего мира, формируются новые способы познания, которые указывают путь к не известным ранее явлениям. Установление глубинных связей между различными областями природы - это одновременно и синтез знания, и метод, направляющий научные исследования по новым, непроторенным дорогам. Выявление Ньютоном связи между притяжением тел в земных условиях и движением планет ознаменовало собой рождение классической механики, на основе которой построена технологическая база современной цивилизации. Установление связи термодинамических свойств газа с хаотическим движением молекул поставило на прочную основу атомно-молекулярную теорию вещества. В середине прошлого столетия Максвелл создал единую электромагнитную теорию, охватившую как электрические, так и магнитные явления. Затем в 20-х г. нашего века Эйнштейн предпринимал попытки объединить в единой теории электромагнетизм и гравитацию. Но к середине ХХ в. положение в физике радикально изменилось: были открыты два новых фундаментальных взаимодействия - сильное и слабое, т.е. при создании единой физики приходится считаться уже не с двумя, а с четырьмя фундаментальными взаимодействиями. Это несколько охладило пыл тех, кто надеялся на быстрое решение данной проблемы. Но сам замысел под сомнение всерьез не ставился, и увлеченность идеей единого описания не прошла. Существует точка зрения, что все четыре (или хотя бы три) взаимодействия представляют собой явления одной природы и должно быть найдено их единое теоретическое описание. Перспектива создания единой теории мира физических элементов на основе одного-единственного фундаментального взаимодействия остается весьма привлекательной. Это главная мечта физиков ХХ в. Но долгое время она оставалась лишь мечтой, и очень неопределенной. Однако во второй половине ХХ в. появились предпосылки осуществления этой мечты и уверенность, что это дело отнюдь не отдаленного будущего. Похоже, что вскоре она вполне может стать реальностью. Решающий шаг на пути к единой теории был сделан в 6О-70-х гг. с созданием сначала теории кварков, а затем и теории электрослабого взаимодействия. Есть основания для мнения, что мы стоим на пороге более могущественного и глубокого объединения, чем когда-либо ранее. Среди физиков усиливается убеждение, что начинают вырисовываться контуры единой теории всех фундаментальных взаимодействий - Великого объединения.

2 . Классификация элементарных частиц.

Взаимодействие в физике - это воздействие тел или частиц друг на друга, приводящее к из­менению их движения.

Близкодействие и дальнодействие (или действие на расстоянии). О том, как осуществляется взаимодействие тел, в физике издавна существовали две точки зрения. Первая из них предпола­гала наличие некоторого агента (например, эфира), через который одно тело передает свое влия­ние на другое, причем с конечной скоростью. Это теория близкодействия. Вторая предполагала, что взаимодействие между телами осуществляется через пустое пространство, не принимающее никакого участия в передаче взаимодействия, причем передача происходит мгновенно. Это тео­рия дальнодействия. Она, казалось бы, окончательно победила после открытия Ньютоном зако­на всемирного тяготения. Так, например, считалось, что перемещение Земли должно сразу же приводить к изменению силы тяготения, действующей на Луну. Кроме самого Ньютона, позднее концепции дальнодействия придерживались Кулон и Ампер.

После открытия и исследования электромагнитного поля (см.Электромагнитное поле) тео­рия дальнодействия была отвергнута, так как было доказано, что взаимодействие электрически заряженных тел осуществляется не мгновенно, а с конечной скоростью (равной скорости света: с = 3 108 м/с) и перемещение одного из зарядов приводит к изменению сил, действующих на дру­гие заряды, не мгновенно, а спустя некоторое время. Возникла новая теория близкодействия, которая была затем распространена и на все другие виды взаимодействий. Согласно теории близ­кодействия взаимодействие осуществляется посредством соответствующих полей, окружающих тела и непрерывно распределенных в пространстве (т. е. поле является тем посредником, который передает действие одного тела на другое). Взаимодействие электрических зарядов - посредством электромагнитного поля, всемирное тяготение - посредством гравитационного поля.

На сегодняшний день физике известны четыре типа фундаментальных взаимодействий, существующих в природе (в порядке возрастания интенсивности): гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное взаимодействия.

Фундаментальными называются взаимодействия, которые нельзя свести к другим типам вза­имодействий.

Фундаментальные взаимодействия отличаются интенсивностью и радиусом действия (см. табл. 1.1). Под радиусом действия понимают максимальное расстояние между частица­ми, за пределами которого их взаимодействием можно пренебречь.

По радиусу действия фундаментальные взаимодействия делятся надальнодействуюгцие {гра­витационное и электромагнитное) икороткодействующие (слабое и сильное) (см. табл. 1.1).

Гравитационное взаимодействие универсально: в нем участвуют все тела в природе - от звезд, планет и галактик до микрочастиц: атомов, электронов, ядер. Его радиус действия равен бесконеч­ности. Однако как для элементарных частиц микромира, так и для окружающих нас предметов макромира силы гравитационного взаимодействия настолько малы, что ими можно пренебречь (см. табл. 1.1). Оно становится заметным с увеличением массы взаимодействующих тел и потому определяющим в поведении небесных тел и образовании и эволюции звезд.

Слабое взаимодействие присуще всем элементарным частицам, кроме фотона. Оно отвечает за большинство ядерных реакций распада и многие превращения элементарных частиц.

Электромагнитное взаимодействие определяет структуру вещества, связывая электроны и ядра в атомах и молекулах, объединяя атомы и молекулы в различные вещества. Оно определяет хими­ческие и биологические процессы. Электромагнитное взаимодействие является причиной таких явлений, как упругость, трение, вязкость, магнетизм и составляет природу соответствующих сил. На движение макроскопических электронейтральных тел оно существенного влияния не оказывает.

Сильное взаимодействие осуществляется между адронами, именно оно удерживает нуклоны в ядре.

В 1967 г. Шелдон Глэшоу, Абдус Салам и Стивен Вайнберг создали теорию, объединяющую электромагнитное и слабое взаимодействия в единое электрослабое взаимодействие с радиусом действия 10~17 м, в пределах которого исчезает различие между слабым и электромагнитным вза­имодействиями.

В настоящее время выдвинута теория великого объединения, согласно которой существуют лишь два типа взаимодействий: объединенное, куда входятсильное, слабое и электромагнитное взаимодействия, и гравитационное взаимодействие.

Есть также предположение, что все четыре взаимодействия являются частными случаями про­явления единого взаимодействия.

В механике взаимное действие тел друг на друга характеризуется силой (см.Сила). Более общей характеристикой взаимодействия является потенциальная энергия (см. Потенциальная энергия).

Силы в механике делятся на гравитационные, упругости и трения. Как уже упоминалось выше, природа механических сил обусловлена гравитационным и электромагнитным взаимодейс­твиями. Только эти взаимодействия можно рассматривать как силы в смысле механики Ньютона. Сильные (ядерные) и слабые взаимодействия проявляются на таких малых расстояниях, при ко­торых законы механики Ньютона, а вместе с ними и понятие механической силы теряют смысл. Поэтому термин «сила» в этих случаях следует воспринимать как «взаимодействие».

Способность к взаимодействию – важнейшее и неотъемлемое свойство материи. Именно взаимодействия обеспечивают объединение различных материальных объектов мега-, макро- и микромира в системы. Все известные современной науке силы сводятся к четырем типам взаимодействий, которые называются фундаментальными: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное.

Гравитационное взаимодействие впервые стало объектом изучения физики в XVII в. Теория гравитации И. Ньютона, основу которой составляет закон всемирного тяготения, стала одной из составляющих классической механики. Любая материальная частица является источником гравитационного воздействия и испытывает его на себе. По мере увеличения массы, гравитационные взаимодействия возрастают, т.е. чем больше масса взаимодействующих веществ, тем сильнее действуют гравитационные силы. Силы гравитации – это силы притяжения. Гравитационное взаимодействие – наиболее слабое из ныне известных. Гравитационная сила действует на очень больших расстояниях, ее интенсивность с увеличением расстояния убывает, но не исчезает полностью. Считается, что переносчиком гравитационного взаимодействия является гипотетическая частица гравитон. В микромире гравитационное взаимодействие не играет существенной роли, однако в макро- и особенно мегапроцессах ему принадлежит ведущая роль.

Электромагнитное взаимодействие стало предметом изучения в физике XIX в. Первой единой теорией электромагнитного поля выступила концепция Дж. Максвелла. Электромагнитные взаимодействия существуют только между заряженными частицами: электрическое поле – между двумя покоящимися заряженными частицами, магнитное – между двумя движущимися заряженными частицами. Электромагнитные силы могут быть как силами притяжения, так и силами отталкивания. Одноименно заряженные частицы отталкиваются, разноименно – притягиваются. Переносчиками этого типа взаимодействия являются фотоны. Электромагнитное взаимодействие проявляется в микро-, макро- и мегамире.

В середине XX в. была создана квантовая электродинамика – теория электромагнитного взаимодействия, которая описывает взаимодействие заряженных частиц – электронов и позитронов. В 1965 г. ее авторы С. Томанага, Р. Фейнман и Дж. Швингер были удостоены Нобелевской премии.

Слабое взаимодействие было открыто только в XX в., в 60-е гг. построена общая теория слабого взаимодействия. Слабое взаимодействие связано с распадом частиц, поэтому его открытие последовало только вслед за открытием радиоактивности. Физик В. Паули предположил, что в процессе радиоактивного распада вещества вместе с электроном выделяется частица, обладающая высокой проникающей способностью. Позже эта частица была названа «нейтрино». Оказалось, что в результате слабых взаимодействий нейтроны, входящие в состав атомного ядра, распадаются на три типа частиц: положительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные нейтрино. Слабое взаимодействие значительно меньше электромагнитного, но больше гравитационного, и в отличие от них распространяется на небольших расстояниях – не более 10 –22 см. Именно поэтому долгое время слабое взаимодействие экспериментально не наблюдалось. Переносчиками слабого взаимодействия являются бозоны.

В 70-е гг. XX в. была создана общая теория электромагнитного и слабого взаимодействия, получившая название теории электрослабого взаимодействия. Ее создатели С. Вайнберг, А. Сапам и С. Глэшоу в 1979 г. получили Нобелевскую премию. Теория электрослабого взаимодействия рассматривает два типа фундаментальных взаимодействий как проявления единого, более глубокого. Так, на расстояниях более 10 –17 см преобладает электромагнитный аспект явлений, на меньших расстояниях в одинаковой степени важны и электромагнитный, и слабый аспекты. Создание рассматриваемой теории означало, что объединенные в классической физике XIX в., в рамках теории Фарадея–Максвелла электричество, магнетизм и свет, в последней трети XX в. дополнились феноменом слабого взаимодействия.

Сильное взаимодействие также было открыто только в XX в. Оно удерживает протоны в ядре атома, не позволяя им разлететься под действием электромагнитных сил отталкивания. Сильное взаимодействие осуществляется на расстояниях не более чем 10 –13 см и отвечает за устойчивость ядер. Ядра элементов, находящихся в конце таблицы Д.И. Менделеева, неустойчивы, поскольку их радиус велик и, соответственно, сильное взаимодействие теряет свою интенсивность. Такие ядра подвержены распаду, который и называется радиоактивным. Сильное взаимодействие ответственно за образование атомных ядер, в нем участвуют только тяжелые частицы: протоны и нейтроны. Ядерные взаимодействия не зависят от заряда частиц, переносчиками этого типа взаимодействий являются глюоны. Глюоны объединены в глюонное поле (по аналогии с электромагнитным), благодаря которому и осуществляется сильное взаимодействие. По своей мощи сильное взаимодействие превосходит другие известные и является источником огромной энергии. Примером сильного взаимодействия выступают термоядерные реакции на Солнце и других звездах. Принцип сильного взаимодействия использован при создании водородного оружия.

Теорию сильного взаимодействия называют квантовой хромодинамикой. Согласно этой теории сильное взаимодействие есть результат обмена глюонами, в результате чего обеспечивается связь кварков в адронах. Квантовая хромодинамика продолжает развиваться, ее нельзя пока считать законченной концепцией сильного взаимодействия, но она имеет прочную экспериментальную базу.

В современной физике продолжаются поиски единой теории, которая позволила бы объяснить все четыре типа фундаментальных взаимодействий. Создание подобной теории означало бы также построение единой концепции элементарных частиц. Этот проект получил название «Великое объединение». Основанием для убежденности, что такая теория возможна, является то обстоятельство, что на малых расстояниях (менее 10 –29 см) и при большой энергии (более 10 14 ГэВ) электромагнитные, сильные и слабые взаимодействия описываются одинаковым образом, что означает общность их природы. Однако этот вывод имеет только теоретический характер, проверить его экспериментально пока не удалось.

Важную роль в понимании механизмов взаимодействия элементарных частиц, их образования и распада сыграли законы сохранения. Помимо законов сохранения, действующих в макромире (закона сохранения энергии, закона сохранения импульса и закона сохранения момента импульса), в физике микромира были обнаружены новые: закон сохранения барионного, лептонного зарядов и др.