Укажите количество фундаментальных взаимодействий во вселенной

Издавна человек стремился познать и понять окружающий его физический мир. Оказывается, все бесконечное разнообразие физических процессов, происходящих в нашем мире, можно объяснить существованием в природе очень малого количества фундаментальных взаимодействий. Взаимодействием их друг с другом объясняется упорядоченность расположения небесных тел во Вселенной. Именно они являются теми «стихиями», которые движут небесными телами, порождают свет и делают возможной саму жизнь (см. Приложение).
Таким образом, все процессы и явления в природе, будь то падение яблока, взрыв сверхновой звезды, прыжок пингвина или радиоактивный распад веществ, происходят в результате этих взаимодействий.
Структура вещества этих тел стабильна благодаря связям между составляющими его частицами.

1. ВИДЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ

Несмотря на то, что в веществе содержится большое количество элементарных частиц, существует лишь четыре вида фундаментальных взаимодействий между ними: гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное.
Самым всеобъемлющим является гравитационное взаимодействие. Ему подвержены все материальные взаимодействия без исключения – и микрочастицы, и макротела. Это значит, что в нем участвуют все элементарные частицы. Проявляется оно в виде всемирного тяготения. Гравитация (от лат. Gravitas – тяжесть) управляет наиболее глобальными процессами во Вселенной, в частности, обеспечивает строение и стабильность нашей Солнечной системы. Согласно современным представлениям, каждое из взаимодействий возникает в результате обмена частицами, называемыми переносчиками этого взаимодействия. Гравитационное взаимодействие осуществляется посредством обмена гравитонами.
Электромагнитное взаимодействие, как и гравитационное, по своей природе дальнодействующее: соответствующие силы могут проявляться на очень значительных расстояниях. Электромагнитное взаимодействие описывается зарядами одного типа (электрическими), но эти заряды уже могут иметь два знака – положительный и отрицательный. В отличие от тяготения, электромагнитные силы способны быть как силами притяжения, так и силами отталкивания. Физические и химические свойства разнообразных веществ, материалов и самой живой ткани обусловлены именно этим взаимодействием. Оно же приводит в действие всю электрическую и электронную аппаратуру, т.е. связывает между собой только заряженные частицы. Теория электромагнитного взаимодействия в макромире называется классической электродинамикой.
Слабое взаимодействиеменее известно за пределами узкого круга физиков и астрономов, но это нисколько не умаляет его значения. Достаточно сказать, что если бы его не было, погасли бы Солнце и другие звезды, ибо в реакциях, обеспечивающих их свечение, слабое взаимодействие играет очень важную роль. Слабое взаимодействие относится к короткодействующим: его радиус примерно в 1000 раз меньше, чем у ядерных сил.
Сильное взаимодействие – самое мощное из всех остальных. Оно определяет связи только между адронами. Ядерные силы, действующие между нуклонами в атомном ядре, – проявление этого вида взаимодействия. Оно примерно в 100 раз сильнее электромагнитного. В отличие от последнего (а также гравитационного) оно, во-первых, короткодействующее на расстоянии, большем 10–15м (порядка размера ядра), соответствующие силы между протонами и нейтронами, резко уменьшаясь, перестают их связывать друг с другом. Во-вторых, его удается удовлетворительно описать только посредством трех зарядов (цветов), образующих сложные комбинации.
В таблице 1 условно представлены важнейшие элементарные частицы, принадлежащие к основным группам (адроны, лептоны, переносчики взаимодействия).

Участие основных элементарных частиц во взаимодействиях

Важнейшей характеристикой фундаментального взаимодействия является его радиус действия. Радиус действия – это максимальное расстояние между частицами, за пределами которого их взаимодействием можно пренебречь (Табл.2). При малом радиусе взаимодействие называют короткодействующим, при большом – дальнодействующим.

Основные характеристики фундаментальных взаимодействий

Вид

Радиус действия, м

Переносчик взаимодействия

Место взаимодействия

Относительная интенсивность Гравитационное

Бесконечно большой

Гравитоны

Между телами, имеющими массу

1 Электромагнитное

Бесконечно большой

Между телами, имеющими заряд

1036 Ядерное (сильное)

1 фм (фемтометр)

Между нуклонами, эл. частицами

1038 Слабое

1 ам (атто-метр)

Промежуточные векторные бозоны

Между кварками

Сильное и слабое взаимодействия являются короткодействующими. Их интенсивность быстро убывает при увеличении расстояния между частицами. Такие взаимодействия проявляются на небольшом расстоянии, недоступном для восприятия органами чувств. По этой причине эти взаимодействия были открыты позже других (лишь в XX веке) с помощью сложных экспериментальных установок. Электромагнитное и гравитационное взаимодействия являются дальнодействующими. Такие взаимодействия медленно убывают при увеличении расстояния между частицами и не имеют конечного радиуса действия.

2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ, КАК СВЯЗЬ СТРУКТУР ВЕЩЕСТВА

В атомном ядре связь протонов и нейтронов обуславливает сильное взаимодействие. Оно обеспечивает исключительную прочность ядра, лежащую в основе стабильности вещества в земных условиях.

Слабое взаимодействие в миллион раз менее интенсивно, чем сильное. Оно действует между большинством элементарных частиц, находящихся друг от друга на расстоянии, меньшем 10–17 м. Слабым взаимодействием определяется радиоактивный распад урана, реакции термоядерного синтеза на Солнце. Как известно, именно излучение Солнца является основным источником жизни на Земле.

Электромагнитное взаимодействие, являясь дальнодействующим, определяет структуру вещества за пределами радиуса действия сильного взаимодействия. Электромагнитное взаимодействие связывает электроны и ядра в атомах и молекулах. Оно объединяет атомы и молекулы в различные вещества, определяет химические и биологические процессы. Это взаимодействие характеризуется силами упругости, трения, вязкости, магнитными силами. В частности, электромагнитное отталкивание молекул, находящихся на малых расстояниях, вызывает силу реакции опоры, в результате чего мы, например, не проваливаемся сквозь пол. Электромагнитное взаимодействие не оказывает существенного влияния на взаимное движение макроскопических тел большой массы, так как каждое тело электронейтрально, т.е. оно содержит примерно одинаковое число положительных и отрицательных зарядов.

Гравитационное взаимодействие прямо пропорционально массе взаимодействующих тел. Из-за малости массы элементарных частиц гравитационное взаимодействие между частицами невелико по сравнению с другими видами взаимодействия, поэтому в процессах микромира это взаимодействие несущественно. При увеличении массы взаимодействующих тел (т.е. при увеличении числа содержащихся в них частиц) гравитационное взаимодействие между телами возрастает прямо пропорционально их массе. В связи с этим в макромире при рассмотрении движения планет, звезд, галактик, а также движения небольших макроскопических тел в их полях гравитационное взаимодействие становится определяющим. Оно удерживает атмосферу, моря и все живое и неживое на Земле, Землю, вращающуюся по орбите вокруг Солнца, Солнце в пределах Галактики. Гравитационное взаимодействие играет главную роль в процессах образования и эволюции звезд. Фундаментальные взаимодействия элементарных частиц изображаются с помощью специальных диаграмм, на которых реальной частице соответствует прямая линия, а ее взаимодействие с другой частицей изображается либо пунктиром, либо кривой (рис. 1).

Диаграммы взаимодействий элементарных частиц

Современные физические представления о фундаментальных взаимодействиях постоянно уточняются. В 1967 г. Шелдон Глэшоу, Абдус Салам и Стивен Вайнберг создали теорию, согласно которой электромагнитное и слабое взаимодействия представляют собой проявление единого электрослабого взаимодействия. Если расстояние от элементарной частицы меньше радиуса действия слабых сил (10–17 м), то различие между электромагнитным и слабым взаимодействиями исчезает. Таким образом, число фундаментальных взаимодействий сократилось до трех.

Теория «Великого объединения».
Некоторые физики, в частности, Г.Джорджи и Ш.Глэшоу, предположили, что при переходе к более высоким энергиям должно произойти еще одно слияние – объединение электрослабого взаимодействия с сильным. Соответствующие теоретические схемы получили название Теории «Великого объединения». И эта теория в настоящее время проходит экспериментальную проверку. Согласно этой теории, объединяющей сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия, существует лишь два типа взаимодействий: объединенное и гравитационное. Не исключено, что все четыре взаимодействия являются лишь частными проявлениям единого взаимодействия. Предпосылки таких предположений рассматриваются при обсуждении теории возникновения Вселенной (теория Большого Взрыва). Теория «Большого Взрыва» объясняет, как комбинация вещества и энергии породила звезды и галактики.

Источник

Фундаментальные взаимодействия

Фундаментальные взаимодействия (силы) — это наиболее глубокие физические структурные связи Вселенной, природы. Все действующие в природе силы можно свести к небольшому числу взаимодействий. В начале XX века их было известно два — гравитационное и электромагнитное. В 1930-х годах было обнаружено еще два — слабое и сильное. Цель физики — объединить все взаимодействия в одно и тем самым создать общую физическую теорию материи (единую теорию элементарных частиц).

В настоящее время считается, что силы между частицами возникают в результате обмена частицами-переносчиками.

Относительную «силу» взаимодействий определяют числовые значения их констант. В безразмерных величинах константа сильного взаимодействия α_s≈1. Константа электромагнитного взаимодействия (постоянная тонкой структуры) α_e≈1/137. Константа слабого взаимодействия α_w≈10 -5 . Константа гравитационного взаимодействия α_g≈10 -39 . Оно является самым слабым. Взаимодействия также характеризуются временем действия. В этом плане слабым, т.е. самым медленным является слабое взаимодействие.

Роль этих постоянных в формировании структуры и свойств Вселенной настолько велика, что их не случайно включают в число мировых постоянных – наиболее фундаментальных физических параметров, характеризующих свойства Вселенной.

Гравитационные взаимодействия– самое универсальное, т.к. есть между любыми материальными объектами. Все частицы создают гравитационное поле. Это самое слабое взаимодействие, не учитываемое при описании элементарных частиц. Оно в 10 39 раз меньше силы взаимодействия электрических зарядов. Например, гипотетический «гравитационный атом» водорода был бы больше Вселенной. Однако на сверхмалых расстояниях порядка планковской величины L_p═10 -33 см и при сверхбольших энергиях гравитация становится сравнимой по силе с другими взаимодействиями.

Силы гравитации – силы притяжения, но в настоящее время рассматривается предположение существования гравитационного отталкивания, действовавшего в первые мгновения Вселенной.

Квантование гравитации предполагает существование гравитона – нейтральной частицы с нулевой массой покоя и спином 2. Это квант флуктуирующего пространства-времени, сочетающий свойства элементарной частицы и волны искривления, бегущей по четырехмерному миру. Гравитоны экспериментально обнаружить невозможно, т.к. в микромире гравитация ничтожна. Квантовые эффекты в гравитационном поле проявляют себя при плотности вещества порядка 10 93 г/см 3 (сингулярность, черная дыра), когда гигантские массы вещества сжимаются до незначительных размеров.

Квантовую теорию гравитации (КТГ) пока создать не удалось. КТГ должна объединить квантовую механику с общей ОТО. Оказалось, что стандартным образом они несовместимы. ОТО – принципиально неквантовая теория, т.к. при квантовании гравитации исчезают пространство и время — они теряют смысл внутри квантов пространства и времени. А гравитация в ОТО отождествляется с искривленным пространством-временем. Таким образом, теряет смысл и гравитация. Но на рубеже XX-XXI веков на базе теории суперструн появились возможности синтеза квантовой механики и ОТО.

Электромагнитное взаимодействие (ЭМВ) – взаимодействие, характеризующее притяжение и отталкивание электрических и «магнитных» зарядов. Является дальнодействующим, в 1000 раз слабее сильного, осуществляется в течение10 -19 – 10 -21 сек. Носителем является фотон – квант электромагнитного поля.

ЭМВ определяет структуру атомов и молекул, отвечает за большинство физических и химических процессов (силу упругости, силу трения, оптические явления, химические превращения и др.). Квантовая теория ЭМВ или квантовая электродинамика (КЭД) была создана в середине XX века. Эта теория описывает взаимодействия электромагнитного поля и заряженных частиц, а также заряженных частиц между собой. КЭД удовлетворяет основным принципам квантовой механики и СТО – является их синтезом.

Если в классической теории электроны предстают в виде твердых точечных шариков, то в КЭД электрон окружен собственным электромагнитным полем, рассматривающимся как облако виртуальных фотонов. Фотоны очень быстро возникают и исчезают, а электроны движутся в пространстве по не вполне определенным траекториям (влияние вакуума). Если в классической теории электрон движется по определенной траектории, то в КТП строго можно определить только начальную и конечную точки пути.

Взаимодействие зарядов происходит через обмен виртуальными фотонами. Взаимодействие между электромагнитным полем и зарядом осуществляется через виртуальные фотоны, рождаемые частицей. Фотон, в свою очередь, превращается в виртуальную электрон-позитронную пару, которая аннигилирует (уничтожается) с образованием нового фотона. В результате заряженная частица окружена облаком виртуальных фотонов, электронов и позитронов.

Таким образом, КЭД предсказывает рождение в сильных электромагнитных и гравитационных полях виртуальных пар частица-античастица. КЭД проверена на большом числе опытов. Результаты проверок совпадают с предсказаниями с огромной точностью.

В 1965 году за создание КЭД С.Томонага, Р.Фейнман, Дж.Швингер получили Нобелевскую премию. КЭД стала моделью для квантового описания других взаимодействий.

Слабое взаимодействие – фундаментальное взаимодействие, отвечающее за распад частиц («распадное» взаимодействие), точнее – за превращение кварков и лептонов друг в друга. Особенность взаимодействия в том, что оно не создает тянущих или толкающих усилий в смысле механики. Оно лишь превращает одни частицы в другие. В ядре постоянно происходят превращения нуклонов — протонов в нейтроны и наоборот за счет обмена между кварками квантами слабого взаимодействия. Возможно превращение в ядре нейтрона в протон с последующим распадом ядра. Без слабого взаимодействия невозможны были бы термоядерные реакции на звездах, т.к. является их составной частью (образование дейтерия), вызывает взрывы сверхновых звезд.

Слабое взаимодействие сильнее гравитационного по мощи, но слабее по интенсивности (скорости протекания), т.к. имеет самый маленький радиус действия – порядка 10 -16 см, т.е. действует медленнее всех. Время действия порядка 10 -10 сек. Этим, например, объясняется колоссальная проникающая способность нейтрино. Каждую секунду через площадку 1 см 2 на Земле проходит без столкновений около 10 10 нейтрино, испущенных Солнцем.

Теория взаимодействия начала разрабатываться в 1930-60-е годы Э.Ферми совместно с другими физиками, связана с открытием радиоактивности. При распаде частиц казалось, что нарушается закон сохранения энергии – «исчезала» энергия. Паули предположил, что выделяется частица с высокой проникающей способностью. Позже ее назвали «нейтрино». Нейтрино — участники только слабых взаимодействий (помимо гравитационных).

Законченная теория была создана в конце 1960-х годов С.Вайнбергом и А.Саламом в рамках теории электрослабого взаимодействия. Выяснилось, что для описания слабого взаимодействия необходимы три силовых поля с тремя переносчиками взаимодействия – тяжелыми бозонами со спином 1: W + , W — , Z 0 (нейтральный бозон означает, что слабое взаимодействие может не сопровождаться переносом электрического заряда). Новая теория, в отличие от прежней, обосновывала необходимость Z 0 -бозона. В 1983 году все эти бозоны были экспериментально обнаружены.

Сильные взаимодействия характеризуют притяжение и отталкивание между кварками. Они, например, происходят на уровне атомных ядер и представляют собой взаимное притяжение и отталкивание их составных частей. Участвуют только тяжелые частицы — адроны. Главная функция в ядре – создание прочной связи между нуклонами (протонами и нейтронами). Радиус действия порядка10 -13 см, время действия – 10 -19 –10 -21 сек. За пределами ядра взаимодействие отсутствует. Размеры ядра 10 -12 -10 -13 см. Плотность ядра 10 14 г/см 3 . Ядра элементов в конце таблицы Менделеева неустойчивы, так как их радиус велик.

Теория создана по типу теории слабого взаимодействия. Взаимодействие представляется как результат обмена глюонами, которые обеспечивают связь кварков (попарно или тройками) в адроны. Из теории следует, что должно быть 8 типов глюонов, как и фотоны имеющих массу покоя=0 и спин=1.

Квантовая теория сильного взаимодействия называется квантовой хромодинамикой (КХД). Сильное взаимодействие здесь трактуется как стремление сохранить «белый цвет» адронов при изменении цвета их частей — кварков. КХД объясняет, почему кварки не существуют в свободном состоянии. С ростом расстояния между кварками силы притяжения возрастают до бесконечности. Экспериментальный статус теории достаточно прочен.

Сильные взаимодействия – источник огромной энергии. Пример – термоядерные реакции в звездах. Принцип сильного взаимодействия использован в ядерном оружии.

Единая теория поля

Теория электрослабого взаимодействия. В конце 1960-х годов электромагнитные и слабые взаимодействия, разные по своей природе, были объединены в одно — электрослабое взаимодействие. Теория была создана независимо С.Вайнбергом и А.Саламом. В 1979 году они совместно с Глэшоу получили Нобелевскую премию.

Дело в том, что слабое взаимодействие более сложно. Во-первых, в слабом взаимодействии могут участвовать частицы различных типов. Во-вторых, электромагнитное взаимодействие не превращает частицы в другие частицы.

В теории Вайнберга–Салама фотоны и W + ,W — ,Z 0 -бозоны имеют общее происхождение. Слабое взаимодействие столь мало потому, что бозоны очень массивны (87 m p ). При энергиях больше 10 2 Гэв разница между фотонами и бозонами стирается. Экспериментальное обнаружение в 1983 году этих бозонов доказало, что электромагнитное и слабое взаимодействия являются компонентами единого электрослабого взаимодействия.

Теория Великого объединения (ТВО)объединяет сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия. При энергиях более 10 14 Гэв или на расстояниях менее 10 -29 см эти три взаимодействия имеют общую природу (описываются общей константой). Кварки и лептоны здесь практически неразличимы, т.е. в их взаимопревращениях нарушается закон сохранения барионного заряда. Существуют разные варианты ТВО, они имеют следующие общие черты:

-кварки и лептоны являются подлинно элементарными (неделимыми) – шесть кварков, шесть лептонов и их античастицы (всего 24 частиц) являются кирпичиками вещества;

-открытие новых типов полей, превращающих кварки в лептоны, т.е. предсказываются новые переносчики взаимодействия (сверхтяжелые промежуточные X- и Y–бозоны, обладающие массой 10 14 m_p, цветом и электрическими зарядами 1/3 и 1/4);

-предсказывается нестабильность протона (время жизни примерно 10 33 лет), из которого вытекает нестабильность вещества;

-предсказывается существование магнитного монополя – стабильной и очень тяжелой частицы массой 10 8 масс протона.

Их обнаружение будет великими физическими экспериментами. Кажущийся парадокс – протон содержит внутри себя Х-бозон, который тяжелее — объясняется принципом неопределенности.

Единая теория поля (ЕТП, суперсимметрия, супергравитация, квантовая теория гравитации) объединяет все четыре взаимодействия. Теория показывает, что объединение взаимодействий происходит при энергиях больше 10 19 Гэв. Теория должна обеспечить переход (симметрию) от носителей субстрата материи (лептонов и кварков) к носителям структуры материи (переносчикам взаимодействий) и наоборот. Гравитон здесь не единственный переносчик гравитационного взаимодействия. Гравитино – частицы со спином 3/2. Переносчики других взаимодействий также сопровождаются новыми частицами-переносчиками – фотино, вино, зино, глюино.

Идея суперсимметрии в природе: постулируется единая природа всех частиц. Это кульминация теоретической физики. С созданием супергравитации можно получить ответы на следующие вопросы:

-почему пространство трехмерно, а время одномерно;

-сколько существует фундаментальных взаимодействий;

-сколько существует элементарных частиц;

-почему мировые константы имеют именно такую величину;

-от чего зависят константы (например, заряд электрона).

ЕТП не завершена, есть сомнения в ее получении в рамках квантовой теории поля (КТП или стандартной модели). Главная трудность – отсутствие связи гравитации с физикой элементарных частиц, квантовой теории микрогравитации. Новая нестандартная модель (теория суперструн) предполагает обоснование физики геометрией, возрождает идею многомерности пространства.

Теория суперструн (М-теория, многомерная супергравитация) пришла на смену стандартной модели на рубеже XX-XXI веков. Первоначально в ее основе лежала идея о том, что элементарные частицы должны рассматриваться не как точечные образования, а как одномерные вибрирующие струны. КТП здесь есть приближение теории суперструн.

Струны-гравитоны либо свернуты в петли, либо являются незамкнутыми отрезками. Они не имеют толщины, длина порядка планковской величины 10 -33 см, имеют огромное натяжение порядка 10 39 тонн. Колебаниями и взаимодействиями струн можно объяснить природу элементарных частиц, их взаимодействий, природу пространства и времени. Характеристики элементарных частиц объясняются резонансными колебаниями струн (модами). Масса элементарной частицы определяется энергией колебания струны. Взаимодействие элементарных частиц представляются как распады и слияния струн. Пространство и время существуют, когда все множество струн упорядочено (колеблются согласовано).

Из теории суперструн следуют важные выводы:

-число элементарных частиц бесконечно как бесконечно число мод колебаний;

-возможно существование новых фундаментальных взаимодействий.

Построить последовательную теорию супергравитации в пространстве трех измерений не получается. Наименьшая размерность, при которой удается справиться с трудностями – 9. Теория предполагает дополнительные пространственные измерения — минимум шесть. Они находятся в свернутом состоянии в каждой точке пространства в пределах 10 -33 см. Из всех взаимодействий дополнительные измерения доступны только гравитации. Так как струны очень малы, они колеблятся во всех измерениях, поэтому фундаментальные свойства элементарных частиц определяют геометрию дополнительных измерений.

Позднее струны стали считаться не только одномерными — их обозначают как р-брана. Струны (р-браны) – элементарные «частицы» р-измерений в теории суперструн. 1-брана называется струной, 2-брана называется мембраной и т.д. Каждому из таких объектов могут соответствовать собственные физические законы. Наше пространство также может рассматриваться как 3-брана замкнутой на себя Вселенной. Более того, возможна 0-брана, которая предшествовала существованию пространства и времени.

Теория предсказывает, что некоторые свернутые измерения могут иметь размеры в пределах долей миллиметра. Планируются эксперименты по их обнаружению. Суть – измерение силы тяготения в этих пределах (если для нашего пространства сила тяготения обратно пропорциональна квадрату расстояния, то для струн может быть другая степень). Теория предсказывает струны космических размеров, которые возникли на начальном этапе развития Вселенной. Теория предсказывает частицы с электрическими зарядами 1/5, 1/11, 1/13 и 1/53. Предсказывается непостоянство некоторых физических констант. Недавно эксперименты показали, что постоянная тонкой структуры (количественная характеристика электромагнитного взаимодействия) в прошлом была заметна меньше.

Математическое описание шестимерных пространств сложно (десятки тысяч уравнений). Уравнения сложны даже для формулировки. Их решения приблизительны.

Теория суперструн далеко опередила возможности эксперимента. Таким образом, создание единой теории материи зависит от экспериментов – от создания мощных ускорителей, от изучения космических лучей.

Новая физика. Не исключены другие варианты развития физики. Например, это зависит от открытия субкварковых частиц, неизвестных видов материи и энергии, неподтверждения теории суперструн и т.д.

Источник