Фундаментальное взаимодействие

4. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ПРИРОДЕ: СИЛЬНОЕ, ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ И СЛАБОЕ

В настоящее время известны четыре вида фундаментальных взаимодействий в природе: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре и определяет ядерные силы. Предполагается, что ядерные силы возникают при обмене между нуклонами кварками. Кварк, принадлежащий одному нуклону, переходит в другой нуклон, кварк которого в свою очередь переходит в первый нуклон. Этот обмен эквивалентен обмену между нуклонами виртуальной парой «кварк – антикварк», которую иногда называют пионом, и говорят, что сильное взаимодействие между нуклонами в ядре осуществляется за счет обмена между ними виртуальными пионами. Виртуальными частицами называют такие частицы, экспериментально обнаружить которые в ходе обменного процесса невозможно. Сильное взаимодействие между нуклонами действует на расстоянии ~10-13 см, т. е. практически в пределах ядра. Энергия связи между нуклонами является чрезвычайно большой, например, для ядра гелия она равна 7,1 МэВ/нуклон, а для ядра цинка – 8,7 МэВ/нуклон. Это является причиной высокой устойчивости ядер.

Электромагнитное взаимодействие связано с электрическими и магнитными полями. Носителями электромагнитного взаимодействия являются виртуальные фотоны – кванты электромагнитного поля, которыми обмениваются заряды. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное поле – при их движении. Электромагнитное взаимодействие описывается фундаментальными законами электростатики и электродинамики: законом Кулона, законом Ампера, законом Фарадея – Максвелла и др. Его более общее описание дает электромагнитная теория Дж. Максвелла (1831–1879), основанная на фундаментальных уравнениях, связывающих электрическое и магнитное поля. В процессе электромагнитного взаимодействия электроны и атомные ядра соединяются в атомы, атомы – в молекулы. Различные агрегатные состояния вещества (твердое, жидкое, газообразное, плазменное), явление трения, упругие и другие свойства вещества определяются преимущественно силами межмолекулярного взаимодействия, которое по своей природе является электромагнитным.

Слабое взаимодействие несет ответственность за некоторые виды ядерных процессов. Слабое взаимодействие между частицами осуществляется посредством обмена так называемыми промежуточными бозонами. Оно простирается на расстояние ~10-22-10-16 см и связано главным образом с распадом частиц, например, с происходящими в атомном ядре превращениями нейтрона в протон, электрон и антинейтрино. В соответствии с современным уровнем знаний большинство частиц нестабильны именно благодаря слабому взаимодействию.

4.4. Типы фундаментальных взаимодействий.

Различают 4 вида фундаментальных взаимодействий, не сводящихся друг к другу.

Элементарные частицы участвуют во всех видах известных взаимодействий.

Рассмотрим их в порядке убывания интенсивности:

1) сильное,

2) электромагнитное,

3) слабое

4) гравитационное.

Сильное взаимодействие происходит на уровне атомных ядер и представляет собой взаимное притяжение их составных частей. Оно действует на расстоянии порядка 10-13 см.

В результате сильное взаимодействие образуются материальные системы с высокой энергией связи — атомные ядра. Именно по этой причине ядра атомов являются весьма устойчивыми, их трудно разрушить.

Электромагнитное взаимодействие примерно в тысячу раз слабее сильного, но действует на значительно больших расстояниях. Взаимодействие такого типа свойственно электрически заряженным частицам. В процессе электромагнитного взаимодействия электроны и атомные ядра соединяются в атомы, атомы — в молекулы. В определенном смысле это взаимодействие является основным в химии и биологии.

Слабое взаимодействие возможно между различными частицами. Оно простирается на расстояние порядка 10-15—10-22 см и связано главным образом с распадом частиц. В соответствии с современным уровнем знаний большинство частиц нестабильны именно благодаря слабому взаимодействию. Как пример происходящие в атомном ядре превращения нейтрона, в протон, электрон и антинейтрино.

Гравитационное взаимодействие самое слабое и не учитывается в теории элементарных частиц, поскольку оно дает чрезвычайно малые эффекты. В космических же масштабах гравитационное взаимодействие имеет решающее значение. Радиус его действия не ограничен.

От силы взаимодействия зависит время, в течение которого совершается превращение элементарных частиц.

Ядерные реакции, связанные с сильными взаимодействиями, происходят в течение 10-24—10-23 с.

Изменения, обусловленные электромагнитными взаимодействиями, осуществляются в течение 10-19—10-21 с.

Распад элементарных частиц, связанный со слабым взаимодействием – в среднем за 10-21 с.

Эти четыре взаимодействия необходимы и достаточны для построения разнообразного мира.

Без сильных взаимодействий не существовали бы атомные ядра, а звезды и Солнце не могли бы генерировать за счет ядерной энергии теплоту и свет.

Без электромагнитных взаимодействий не было бы ни атомов, ни молекул, ни макроскопических объектов, а также тепла и света.

Без слабых взаимодействий не были бы возможны ядерные реакции в недрах Солнца и звезд, не происходили бы вспышки сверхновых звезд, а необходимые для жизни тяжелые элементы не могли бы распространиться во Вселенной.

Без гравитационного взаимодействия не только не было бы галактик, звезд, планет, но и вся Вселенная не могла бы эволюционировать, поскольку гравитация является объединяющим фактором, обеспечивающим единство Вселенной как целого и ее эволюцию.

все четыре фундаментальных взаимодействия, необходимые для создания из элементарных частиц сложного и разнообразного материального мира, можно получить из одного фундаментального взаимодействия — суперсилы.

Теоретически доказано, что при очень высоких температурах (или энергиях) все четыре взаимодействия объединяются в одно.

  • При энергии в 100 ГэВ объединяются электромагнитное и слабое взаимодействия. Такая температура соответствует температуре Вселенной через 10-10 с. после Большого взрыва.

  • При энергии 1015 ГэВ к ним присоединяется сильное взаимодействие.

  • При энергии 1019 ГэВ происходит объединение всех четырех взаимодействий.

1 ГэВ = 1 млрд. электрон-вольт

Достижения в области исследования элементарных частиц способствовали дальнейшему развитию концепции атомизма.

В настоящее время считается, что среди множества элементарных частиц можно выделить 12 фундаментальных частиц и столько же античастиц.

Шесть частиц — это кварки с экзотическими названиями:

«верхний», «нижний», «очарованный», «странный», «истинный», «прелестный».

Остальные шесть – лептоны: электрон, мюон, тау-частица и соответствующие им нейтрино (электронное, мюонное, тау-нейтрино).

Обычное вещество состоит из частиц первого поколения.

Предполагается, что остальные поколения можно создать искусственно на ускорителях заряженных частиц.

На основе кварковой модели физики разработали модель строения атомов.

  1. Каждый атом состоит из тяжелого ядра (сильно связанных глюонными полями протонов и нейтронов) и электронной оболочки.

  2. Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в Периодической таблице элементов Д.И. Менделеева.

  3. Протон имеет положительный электрический заряд, массу в 1836 раз больше массы электрона, размеры порядка 10-13 см.

  4. Электрический заряд нейтрона равен нулю.

  5. Протон, согласно кварковой гипотезе, состоит из двух «верхних» кварков и одного «нижнего», а нейтрон — из одного «верхнего» и двух «нижних» кварков. Их нельзя представить в виде твердого шарика, скорее, они напоминают облако с размытыми границами, состоящее из рождающихся и исчезающих виртуальных частиц.

Остаются еще нерешенными вопросы о происхождении кварков и лептонов, о том, являются ли они основными «первокирпичиками» природы и насколько фундаментальны. Ответы на эти вопросы ищут в современной космологии.

Большое значение имеет исследование процессов рождения элементарных частиц из вакуума построение моделей первичного ядерного синтеза, породившего те или иные частицы в момент рождения Вселенной.

Частицы переносчики взаимодействий

Взаимодействие

Переносчик

Заряд

Масса, me

Современная теория

Сильное

Глюон

Квантовая хромодинамика (1974)

Электромагнитное

Фотон

Квантовая электродинамика Фейнмана, Швингера, Томонаги, Дайсона (1940)

Слабое

W+-бозон

+1

Теория электрослабого взаимодействия: Вайнберг, Глэшоу, Салам (1967)

W—бозон

Z0-бозон

Гравитационное

Гравитон

ОТО: Эйнштейн (1915)

Четыре вида фундаментальных взаимодействий

В посвседневной жизни мы сталкиваемся с разнообразными силами, возникающими при столкновении тел, трении, взрыве, натяжении нити, сжатии пружины и т.д. Однако все перечисленные силы являются результатом электромагнитного взаимодействия атомов друг с другом. Теория электромагнитного взаимодействия была создана Максвеллом в 1863 г.

Другим давно известным взаимодействием является гравитационное взаимодействие между телами, обладающими массой. В 1915 г. Эйнштейн создал общую теорию относительности, связавшую гравитационное поле с искривлением пространства-времени.

В 1930-е гг. было обнаружено, что ядра атомов состоят из нуклонов, причем ни электромагнитные, ни гравитационные взаимодействия не могут объяснить, что удерживает нуклоны в ядре. Для описания взаимодействия нуклонов в ядре было предложено сильное взаимодействие.

При продолжении изучения микромира выяснилось, что некоторые явления не описываются тремя типами взаимодействия. Поэтому для описания распада нейтрона и других подобных процессов было предложено слабое взаимодействие.

Сегодня все известные в природе силы являются продуктом четырех фундаментальных взаимодействий, которые можно расположить по убыванию интенсивности в следующем порядке:

  • 1) сильное взаимодействие;
  • 2) электромагнитное взаимодействие;
  • 3) слабое взаимодействие;
  • 4) гравитационное взаимодействие.

Фундаментальные взаимодействия переносятся элементарными частицами — переносчиками фундаментальных взаимодействий. Эти частицы называют калибровочными бозонами. Процесс фундаментальных взаимодействий тел можно представить следующим образом. Каждое из тел испускает частицы — переносчики взаимодействий, которые поглощаются другим телом. При этом тела испытывают взаимное влияние.

Сильное взаимодействие может возникать между протонами, нейтронами и прочими адронами (см. ниже). Оно является короткодействующим и характеризуется радиусом действия сил порядка 10 15м. Переносчиком сильного взаимодействия между адронами являются пионы, причем длительность протекания взаимодействия составляет порядка 10 23 с.

Электромагнитное взаимодействие имеет на четыре порядка меньшую интенсивность по сравнению с сильным взаимодействием. Оно возникает между заряженными частицами. Электромагнитное взаимодействие является длиннодействующим и характеризуется бесконечным радиусом действия сил. Переносчиком электромагнитного взаимодействия являются фотоны, причем длительность протекания взаимодействия составляет порядка 10“20 с.

Слабое взаимодействие имеет на 20 порядков меньшую интенсивность по сравнению с сильным взаимодействием. Оно может возникать между адронами и лептонами (см. ниже). В число лептонов входят, в частности, электрон и нейтрино. Примером слабого взаимодействия является рассмотренный выше p-распад нейтрона. Слабое взаимодействие является короткодействующим и характеризуется радиусом действия сил порядка 10 18 м. Переносчиком слабого взаимодействия являются векторные бозоны, причем длительность протекания взаимодействия составляет порядка 10 10 с.

Гравитационное взаимодействие имеет на 40 порядков меньшую интенсивность по сравнению с сильным взаимодействием. Оно возникает между всеми частицами. Гравитационное взаимодействие является длиннодействующим и характеризуется бесконечным радиусом действия сил. Переносчиком гравитационного взаимодействия, возможно, являются гравитоны. Эти частицы пока не найдены, что может быть связано с малой интенсивностью гравитационного взаимодействия. С ней связано и то, что из-за малости масс элементарных частиц данное взаимодействие в процессах ядер- ной физики несущественно.

В 1967 г. А. Саламом и С. Вайнбергом была предложена теория элект- рослабого взаимодействия, объединившая электромагнетное и слабое взаимодействия. В 1973 г. была создана теория сильного взаимодействия квантовая хромодинамика. Все это позволило создать стандартную модель элементарных частиц, описывающую электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия. Все три рассматриваемые здесь типа взаимодействия возникают как следствие постулата, что наш мир симметричен относительно трех типов калибровочных преобразований.