Jedan od najveća dostignuća Fizika je u protekla dva milenijuma postala identifikacija i definicija četiri vrste interakcija koje vladaju svemirom. Svi se oni mogu opisati jezikom polja, koji dugujemo Faradeju. Nažalost, međutim, nijedan od četiri tipa nema puna svojstva polja sile opisanih u većini fantastični radovi. Hajde da navedemo ove vrste interakcija.

1. Gravitacija. Tiha sila koja ne dozvoljava našim stopalima da napuste oslonac. Sprječava raspad Zemlje i zvijezda i pomaže u održavanju integriteta Solarni sistem i galaksije. Bez gravitacije, rotacija planete bi nas izbacila sa Zemlje u svemir brzinom od 1000 milja na sat. Problem je u tome što su svojstva gravitacije upravo suprotna svojstvima fantastičnih polja sile. Gravitacija je sila privlačenja, a ne odbijanja; izuzetno je slab - relativno, naravno; radi na ogromnim, astronomskim udaljenostima. Drugim riječima, to je gotovo sušta suprotnost ravnoj, tankoj, neprobojnoj barijeri koja se može naći u gotovo svakom naučnofantastičnom romanu ili filmu. Na primjer, pero na pod privlači cijela planeta - Zemlja, ali mi lako možemo savladati Zemljinu gravitaciju i jednim prstom podići pero. Udar jednog našeg prsta može savladati gravitacionu silu čitave planete, koja teži više od šest triliona kilograma.

2. Elektromagnetizam (EM). Snaga koja obasjava naše gradove. Laseri, radio, televizija, moderna elektronika, kompjuteri, internet, struja, magnetizam - sve su to posljedice ispoljavanja elektromagnetne interakcije. Možda je ovo najkorisnija sila koju je čovječanstvo uspjelo upregnuti kroz svoju historiju. Za razliku od gravitacije, može djelovati i kao privlačnost i kao odbojnost. Međutim, nije pogodan za ulogu polja sile iz nekoliko razloga. Prvo, može se lako neutralizirati. Na primjer, plastika ili bilo koji drugi neprovodni materijal lako će prodrijeti u snažno električno ili magnetsko polje. Komad plastike bačen u magnetsko polje slobodno će letjeti kroz njega. Drugo, elektromagnetizam djeluje na velikim udaljenostima i nije ga lako koncentrirati u avionu. Zakoni EM interakcije su opisani jednadžbama Jamesa Clerka Maxwella i čini se da polja sila nisu rješenje za ove jednačine.

3 i 4. Jake i slabe nuklearne interakcije. Slaba interakcija je sila radioaktivnog raspada, ona koja zagrijava radioaktivno jezgro Zemlje. Ova sila stoji iza vulkanskih erupcija, potresa i zanošenja kontinentalnih ploča. Jaka interakcija sprečava raspad atomskih jezgara; daje energiju suncu i zvijezdama i odgovoran je za osvjetljavanje svemira. Problem je što nuklearna sila djeluje samo na vrlo malim udaljenostima, uglavnom unutar atomskog jezgra. Toliko je čvrsto vezan za svojstva samog jezgra da ga je izuzetno teško kontrolisati. Trenutno znamo samo za dva načina da utičemo na ovu interakciju: možemo razbiti subatomsku česticu na komade u akceleratoru ili detonirati atomsku bombu.

Iako se polja sile u naučnoj fantastici ne povinuju poznatim zakonima fizike, još uvijek postoje rupe koje će vjerovatno omogućiti stvaranje polja sile u budućnosti. Prvo, postoji možda peta vrsta fundamentalne interakcije koju niko još nije mogao vidjeti u laboratoriji. Može se ispostaviti, na primjer, da ova interakcija djeluje samo na udaljenostima od nekoliko inča do stope - a ne na astronomskim udaljenostima. (Međutim, prvi pokušaji da se otkrije peti tip interakcije dali su negativne rezultate.)

Drugo, možda ćemo moći da učinimo da plazma oponaša neka svojstva polja sila. Plazma je "četvrto stanje materije". Prva tri nama poznata stanja materije su čvrsto, tečno i gasovito; međutim, najčešći oblik materije u svemiru je plazma: plin sastavljen od joniziranih atoma. Atomi u plazmi nisu međusobno povezani i lišeni su elektrona, pa stoga imaju električni naboj. Mogu se lako kontrolisati pomoću električnih i magnetnih polja.

Vidljiva materija univerzuma postoji najvećim delom u obliku različitih vrsta plazme; iz njega nastaju sunce, zvezde i međuzvezdani gas. IN običan život plazmu gotovo nikada ne susrećemo, jer je ovaj fenomen rijedak na Zemlji; međutim, plazma se može vidjeti. Da biste to učinili, samo pogledajte munju, sunce ili ekran plazma televizora.

Postoje četiri glavne fizičke interakcije koje određuju strukturu našeg svijeta: jaka, slaba, elektromagnetna i gravitacijska.

1. Jake interakcije dešavaju na nivou atomska jezgra i predstavljaju međusobnu privlačnost njihovih zajedničkih dijelova. One djeluju na udaljenosti od približno 10 -13 cm. Jedna od manifestacija jakih interakcija je nuklearne snage. Snažne interakcije otkrio je E. Rutherford 1911. istovremeno sa otkrićem atomskog jezgra. Nosioci jakih interakcija su gluoni. Nuklearne sile ne zavise od naboja čestica. U jakim interakcijama veličina naboja je očuvana.

2. Elektromagnetna interakcija 100-1000 puta slabiji
jaka interakcija, ali dužeg dometa. Karakteristika električno nabijenih čestica. Nosilac elektromagnetne interakcije je onaj koji nema naboj foton– kvant elektromagnetnog polja. U procesu elektromagnetne interakcije, elektroni i atomska jezgra se spajaju u atome, a atomi u molekule. Elektromagnetna interakcija povezana je s električnim i magnetskim poljima. Električno polje nastaje u prisustvu električnih naboja, a magnetsko polje nastaje kada se oni kreću. Različita stanja agregacije tvari, fenomen trenja, elastičnost i druga svojstva tvari određuju se prvenstveno silama međumolekularne interakcije, koja je elektromagnetne prirode. Elektromagnetsku interakciju opisuju osnovni zakoni elektrostatike i elektrodinamike: Coulombov zakon, Ampereov zakon, itd. opći opis daje Maksvelovu elektromagnetnu teoriju, zasnovanu na fundamentalnim jednačinama koje povezuju električna i magnetna polja.

3. Slabe interakcije slabiji od elektromagnetnog. Njegov radijus je 10 -15 - 10 -22 cm. Slaba interakcija je povezana s raspadom čestica, na primjer, s transformacijom protona u neutron, pozitron i neutrino koji se dešavaju u jezgru. Emitirani neutrino ima ogromnu prodornu moć - prolazi kroz željeznu ploču debelu milijardu kilometara. Sa slabim interakcijama mijenja se naboj čestica. Slaba interakcija nije kontaktna interakcija, već se odvija razmjenom srednjih teških čestica - bozoni.

4. Gravitaciona interakcija svojstveno svim materijalnim objektima, bez obzira na njihovu prirodu. Ona se sastoji u međusobnom privlačenju tijela i određena je osnovnim zakonom univerzalna gravitacija: između dva točkasta tijela postoji privlačna sila koja je direktno proporcionalna proizvodu njihovih masa i obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između njih. Gravitaciona interakcija određuje pad tijela u polju Zemljinih gravitacijskih sila. Zakon univerzalne gravitacije opisuje, na primjer, kretanje planeta Sunčevog sistema i raznih makro-objekata. Pretpostavlja se da gravitacionu interakciju uzrokuju određene elementarne čestice - gravitoni, čije postojanje još nije eksperimentalno potvrđeno.

Gravitaciona interakcija je mnogo puta slabija od elektromagnetne interakcije. To se u teoriji ne uzima u obzir elementarne čestice, budući da na karakterističnim udaljenostima reda veličine 10 -13 cm proizvodi izuzetno male efekte. Međutim, na ultra kratkim udaljenostima (10-33 cm) i pri ultra visokim energijama, gravitacija ponovo postaje značajna. Superteške virtuelne čestice stvaraju uočljivo gravitaciono polje oko sebe, što narušava geometriju prostora. Na kosmičkoj skali, gravitaciona interakcija je kritična. Njegov opseg djelovanja nije ograničen.

Vrijeme tokom kojeg dolazi do transformacije elementarnih čestica ovisi o sili interakcije. Nuklearne reakcije povezane s jakim interakcijama odvijaju se unutar 10 -24 - 10 -23 s. Ovo je otprilike najkraći vremenski interval tokom kojeg čestica, ubrzana do velikih energija, do brzine blizu brzine svjetlosti, prolazi kroz elementarnu česticu veličine reda 10 -13 cm unutar 10-19 - 10 -21 s, a slabi (na primjer, raspad elementarnih čestica) - uglavnom 10 -10 s.

Sve četiri interakcije su neophodne i dovoljne za izgradnju raznolikog svijeta. Bez jakih interakcija, atomska jezgra ne bi postojala. Bez elektromagnetnih interakcija ne bi bilo atoma, molekula, makroskopskih objekata, kao ni topline i svjetlosti. Bez slabih interakcija to ne bi bilo moguće nuklearne reakcije u dubinama Sunca i zvezda, eksplozije supernove se ne bi dešavale i teški elementi neophodni za život ne bi se mogli širiti po Univerzumu. Bez gravitacijske interakcije, ne samo da ne bi bilo galaksija, zvijezda, planeta, nego se cijeli Univerzum ne bi mogao razvijati, jer je gravitacija ujedinjujući faktor koji osigurava jedinstvo Univerzuma u cjelini i njegovu evoluciju.

Moderna fizika je došla do zaključka da se sve četiri fundamentalne interakcije neophodne za stvaranje složenog i raznolikog materijalnog svijeta od elementarnih čestica mogu dobiti iz jedne fundamentalne interakcije - supersile. Najupečatljivije dostignuće bio je dokaz da, sa vrlo visoke temperature(ili energije) sve četiri interakcije su kombinovane u jednu. Pri energiji od 100 GeV spajaju se elektromagnetna i slaba interakcija. Ova temperatura odgovara temperaturi Univerzuma 10 -10 s nakon Velikog praska. Pri energiji od 10 15 GeV pridružuje im se jaka interakcija, a pri energiji od 10 19 GeV sve četiri interakcije se kombinuju.

Ova pretpostavka je čisto teorijska, jer se ne može eksperimentalno provjeriti. Ove ideje indirektno potvrđuju astrofizički podaci, koji se mogu smatrati eksperimentalnim materijalom koji je akumulirao Univerzum.

Da bismo shvatili vrijedi li nastaviti pisati kratke skice koje doslovno objašnjavaju različite fizičke pojave i procese. Rezultat je odagnao moje sumnje. Ja ću nastaviti. Ali da biste pristupili prilično složenim pojavama, morat ćete napraviti odvojene nizove postova. Dakle, da biste došli do priče o strukturi i evoluciji Sunca i drugih vrsta zvijezda, morat ćete početi s opisom tipova interakcije između elementarnih čestica. Počnimo s ovim. Nema formula.
Ukupno su u fizici poznata četiri tipa interakcija. Svi su poznati gravitacioni I elektromagnetna. I gotovo nepoznat široj javnosti jaka I slab. Hajde da ih opišemo uzastopno.
Gravitaciona interakcija . Ljudi su to znali od davnina. Zato što je stalno u gravitacionom polju Zemlje. A iz školske fizike znamo da je sila gravitacijske interakcije između tijela proporcionalna proizvodu njihovih masa i obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između njih. Pod uticajem gravitacione sile, Mesec se okreće oko Zemlje, Zemlja i druge planete oko Sunca, a potonje se zajedno sa drugim zvezdama okreće oko centra naše Galaksije.
Prilično sporo smanjenje jačine gravitacione interakcije sa rastojanjem (obrnuto proporcionalno kvadratu udaljenosti) primorava fizičare da govore o ovoj interakciji kao dugog dometa. Osim toga, sile gravitacijske interakcije koje djeluju između tijela su samo sile privlačenja.
Elektromagnetna interakcija . U najjednostavnijem slučaju elektrostatičke interakcije, kao što znamo iz školske fizike, sila privlačenja ili odbijanja između električno nabijenih čestica proporcionalna je proizvodu njihovih električnih naboja i obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između njih. Što je vrlo slično zakonu gravitacijske interakcije. Jedina razlika je u tome što se električni naboji s istim predznacima odbijaju, a oni s različitim predznacima privlače. Stoga fizičari nazivaju elektromagnetnu interakciju, kao i gravitacijsku interakciju dugog dometa.
U isto vrijeme, elektromagnetna interakcija je složenija od gravitacijske interakcije. Iz školske fizike znamo da električno polje stvaraju električni naboji, magnetni naboji ne postoje u prirodi, a magnetsko polje stvaraju električne struje.
U stvari, električno polje se također može stvoriti promjenom tokom vremena magnetsko polje, a magnetsko polje je vremenski promjenjivo električno polje. Ova posljednja okolnost omogućava da elektromagnetno polje uopće postoji bez električnih naboja i struja. I ova prilika se ostvaruje u formi elektromagnetnih talasa. Na primjer, radio valovi i kvanti svjetlosti.
Budući da su električne i gravitacijske sile podjednako zavisne od udaljenosti, prirodno je pokušati uporediti njihove intenzitete. Tako se za dva protona ispostavlja da su sile gravitacionog privlačenja 10 do 36. stepena puta (milijardu milijardi milijardi milijardi puta) slabije od sila elektrostatičkog odbijanja. Stoga se u fizici mikrosvijeta gravitacijska interakcija može sasvim razumno zanemariti.
Jaka interakcija . Ovo - kratkog dometa snagu. U smislu da djeluju na udaljenostima od samo jednog femtometra (trilionti dio milimetra), a na velikim udaljenostima njihov utjecaj se praktično ne osjeća. Štaviše, na udaljenostima od jednog femtometra, jaka interakcija je oko stotinu puta intenzivnija od elektromagnetne.
Zbog toga se jednako električno nabijeni protoni u atomskom jezgru ne odbijaju jedan od drugog elektrostatičkim silama, već se drže zajedno snažnim interakcijama. Zato što su dimenzije protona i neutrona oko jednog femtometra.
Slaba interakcija . Zaista je jako slaba. Prvo, radi na udaljenostima hiljadu puta manjim od jednog femtometra. A na velikim udaljenostima to se praktički ne osjeća. Stoga, kao i ona jaka, pripada klasi kratkog dometa. Drugo, njegov intenzitet je otprilike sto milijardi puta manji od intenziteta elektromagnetne interakcije. Slaba sila je odgovorna za neke raspade elementarnih čestica. Uključujući slobodne neutrone.
Postoji samo jedna vrsta čestica koja komunicira sa materijom samo kroz slabu interakciju. Ovo je neutrino. Skoro sto milijardi solarnih neutrina svake sekunde prođe kroz svaki kvadratni centimetar naše kože. A mi ih uopšte ne primećujemo. U smislu da je tokom našeg života malo verovatno da će nekoliko neutrina stupiti u interakciju sa materijom našeg tela.
Nećemo govoriti o teorijama koje opisuju sve ove vrste interakcija. Jer nama je važna kvalitetna slika svijeta, a ne slasti teoretičara.

Sposobnost interakcije je najvažnije i integralno svojstvo materije. Interakcije su koje osiguravaju ujedinjenje različitih materijalnih objekata mega-, makro- i mikrosvijeta u sisteme. Svi poznati moderna nauka sile se svode na četiri vrste interakcija, koje se nazivaju fundamentalnim: gravitaciona, elektromagnetna, slaba i jaka.

Gravitaciona interakcija prvi put je postao predmet proučavanja fizike u 17. veku. I. Newtonova teorija gravitacije, koja se zasniva na zakonu univerzalne gravitacije, postala je jedna od komponenti klasične mehanike. Zakon univerzalne gravitacije kaže: između dva tijela postoji privlačna sila koja je direktno proporcionalna proizvodu njihovih masa i obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između njih (2.3). Svaka materijalna čestica je izvor gravitacionog uticaja i doživljava ga na sebi. Kako masa raste, povećavaju se i gravitacijske interakcije, tj. što je veća masa tvari koje djeluju, to su gravitacijske sile jače. Sile gravitacije su sile privlačenja. IN U poslednje vreme fizičari su sugerisali postojanje gravitacionog odbijanja, koje je delovalo u prvim trenucima postojanja Univerzuma (4.2), ali ta ideja još uvek nije potvrđena. Gravitaciona interakcija je trenutno najslabija poznata. Gravitaciona sila djeluje na vrlo velikim udaljenostima, njen intenzitet opada s povećanjem udaljenosti, ali ne nestaje u potpunosti. Vjeruje se da je nosilac gravitacijske interakcije hipotetički graviton čestica. U mikrosvijetu gravitacijska interakcija ne igra značajnu ulogu, ali u makro- i posebno mega-procesima ima vodeću ulogu.

Elektromagnetna interakcija postao predmet proučavanja fizike 19. veka. Prva ujedinjena teorija elektromagnetnog polja bila je koncept J. Maxwella (2.3). Za razliku od gravitacijske sile, elektromagnetske interakcije postoje samo između nabijenih čestica: električno polje je između dvije stacionarne nabijene čestice, magnetsko polje između dvije pokretne nabijene čestice. Elektromagnetne sile mogu biti ili privlačne ili odbojne sile. Vjerovatno nabijene čestice se odbijaju, suprotno nabijene čestice privlače. Nosioci ove vrste interakcije su fotoni. Elektromagnetna interakcija se manifestuje u mikro-, makro- i mega-svjetovima.

Sredinom 20. vijeka. je napravljeno kvantna elektrodinamika– teorija elektromagnetne interakcije koja je zadovoljila osnovne principe kvantna teorija i teorija relativnosti. Njegovi autori S. Tomanaga, R. Feynman i J. Schwinger dobili su 1965. Nobelovu nagradu. Kvantna elektrodinamika opisuje interakciju nabijenih čestica - elektrona i pozitrona.

Slaba interakcija otkriven je tek u 20. veku, 1960-ih godina. izgrađen opšta teorija slaba interakcija. Slaba sila je povezana s raspadom čestica, pa je njeno otkriće uslijedilo tek nakon otkrića radioaktivnosti. Pri posmatranju radioaktivnog raspada čestica otkrivene su pojave koje su se činile u suprotnosti sa zakonom održanja energije. Činjenica je da je tokom procesa raspadanja dio energije "nestao". Fizičar W. Pauli je sugerirao da se tokom procesa radioaktivnog raspada supstance zajedno s elektronom oslobađa čestica velike prodorne moći. Ova čestica je kasnije nazvana "neutrino". Pokazalo se da se kao rezultat slabih interakcija, neutroni koji čine atomsko jezgro raspadaju na tri vrste čestica: pozitivno nabijene protone, negativno nabijene elektrone i neutralne neutrine. Slaba interakcija je mnogo manja od elektromagnetne interakcije, ali veća od gravitacijske interakcije, i za razliku od njih, širi se na male udaljenosti - ne više od 10-22 cm. Zbog toga se slaba interakcija dugo nije eksperimentalno posmatrala. Nosioci slabe interakcije su bozoni.

1970-ih godina stvorena je opća teorija elektromagnetne i slabe interakcije tzv teorija elektroslabe interakcije. Njegovi tvorci S. Weinberg, A. Salam i S. Glashow su 1979. godine dobili nobelova nagrada. Teorija elektroslabe interakcije razmatra dva tipa fundamentalnih interakcija kao manifestacije jedne, dublje. Dakle, na udaljenosti većoj od 10-17 cm, prevladava elektromagnetski aspekt pojava na manjim udaljenostima, podjednako su važni i elektromagnetni i slabi aspekti. Stvaranje razmatrane teorije značilo je da, ujedinjeni u klasičnoj fizici 19. veka, u okviru Faraday-Maxwell teorije, elektricitet, magnetizam i svetlost u poslednjoj trećini 20. veka. dopunjen fenomenom slabe interakcije.

Jaka interakcija takođe je otkriven tek u 20. veku. On drži protone u jezgri atoma, sprječavajući ih da se rasprše pod utjecajem elektromagnetnih odbojnih sila. Jaka interakcija se javlja na udaljenostima ne većim od 10-13 cm i odgovorna je za stabilnost jezgara. Jezgra elemenata na kraju periodnog sistema su nestabilna jer im je radijus veliki i, shodno tome, jaka interakcija gubi na intenzitetu. Takva jezgra su podložna raspadu, što se naziva radioaktivnim. Jaka interakcija je odgovorna za stvaranje atomskih jezgara u njoj učestvuju samo teške čestice: protoni i neutroni. Nuklearne interakcije ne zavise od naboja čestica, nosioci ove vrste interakcije su gluoni. Gluoni se spajaju u gluonsko polje (slično elektromagnetskom polju), zbog čega dolazi do jake interakcije. Po svojoj snazi, jaka interakcija nadmašuje druge poznate i izvor je ogromne energije. Primjer snažne interakcije su termonuklearne reakcije na Suncu i drugim zvijezdama. Princip jake interakcije korišten je za stvaranje vodoničnog oružja.

Teorija jake interakcije se zove kvantna hromodinamika. Prema ovoj teoriji, jaka interakcija je rezultat razmjene gluona, što rezultira povezivanjem kvarkova u hadronima. Kvantna hromodinamika nastavlja da se razvija, i iako se još ne može smatrati potpunim konceptom snažne interakcije, ipak ova fizička teorija ima solidnu eksperimentalnu osnovu.

U modernoj fizici se nastavlja potraga za jedinstvenom teorijom koja bi objasnila sve četiri vrste fundamentalnih interakcija. Stvaranje takve teorije značilo bi i izgradnju jedinstvenog koncepta elementarnih čestica. Ovaj projekat je nazvan “Veliko ujedinjenje”. Osnova za vjerovanje da je takva teorija moguća je činjenica da na malim udaljenostima (manjim od 10-29 cm) i pri visokim energijama (više od 1014 GeV) elektromagnetne, jake i slabe interakcije opisani su na isti način, što znači da imaju zajedničku prirodu. Međutim, ovaj zaključak je još uvijek samo teoretski;

Različite konkurentske teorije Velikog ujedinjenja različito tumače kosmologiju (4.2). Na primjer, pretpostavlja se da su u trenutku rođenja našeg Univerzuma postojali uslovi u kojima su sva četiri fundamentalne interakcije pojavio na isti način. Stvaranje teorije koja objašnjava sve četiri vrste interakcija na jedinstvenoj osnovi zahtijevat će sintezu teorije kvarkova, kvantne hromodinamike, moderne kosmologije i relativističke astronomije.

Međutim, potraga za jedinstvenom teorijom četiri vrste fundamentalnih interakcija ne znači da je nemoguća pojava drugih interpretacija materije: otkrivanje novih interakcija, potraga za novim elementarnim česticama, itd. Neki fizičari izražavaju sumnju u mogućnost jedinstvene teorije. Tako tvorci sinergetike I. Prigogine i I. Stengers u knjizi „Vreme, haos, kvant“ pišu: „nada u izgradnju takve „teorije svega“ iz koje bi se moglo izvesti Puni opis fizičku stvarnost, moraće biti napuštena” i svoju tezu obrazlažu zakonima formulisanim u okviru sinergije (7.2).

Zakoni održanja igrali su važnu ulogu u razumijevanju mehanizama interakcije elementarnih čestica, njihovog formiranja i raspada. Pored zakona održanja koji djeluju u makrosvijetu (zakon održanja energije, zakon održanja količine gibanja i zakon održanja ugaonog momenta), u fizici mikrosvijeta su otkriveni novi: zakon održanja barion, leptonski naboj, neobičnost, itd.

Svaki zakon očuvanja povezan je s nekom vrstom simetrije u okolnom svijetu. U fizici, simetrija se shvata kao invarijantnost, nepromenljivost sistema u odnosu na njegove transformacije, odnosno u odnosu na promene u nizu fizičkih uslova. Njemačka matematičarka Emma Noether uspostavila je vezu između svojstava prostora i vremena i zakona održanja klasične fizike. Osnovna teorema matematičke fizike, nazvana Noetherova teorema, kaže da iz homogenosti prostora slijedi zakon održanja količine gibanja, iz homogenosti vremena slijedi zakon održanja energije, a izotropije prostora zakon održanja slijedi ugaoni moment. Ovi zakoni su fundamentalne prirode i važe za sve nivoe postojanja materije.

Zakon održanja i transformacije energije kaže da energija ne nestaje i ne pojavljuje se ponovo, već samo prelazi iz jednog oblika u drugi. Zakon održanja količine gibanja postulira konstantan impuls zatvorenog sistema tokom vremena. Zakon održanja ugaonog momenta kaže da ugaoni moment sistema zatvorene petlje ostaje konstantan tokom vremena. Zakoni očuvanja su posljedica simetrije, odnosno invarijantnosti, nepromjenjivosti strukture materijalnih objekata u odnosu na transformacije, odnosno promjene fizičkih uslova njihovog postojanja.

fizika

• Prevod

Autor članka je Don Lincoln, viši naučnik u Fermilab LHC laboratoriji, koja djeluje pod okriljem američkog Ministarstva energetike. Nedavno sam napisao knjigu "Veliki hadronski sudarač: izvanredna istorija Higsovog bozona i druge stvari koje će vas zadiviti."

Nauka ima složen odnos s internetom: nauka ide naprijed kroz pažljivu i pažljivu evaluaciju podataka i teorije, što je proces koji može potrajati godinama. A na internetu sposobnost koncentracije publike podsjeća na Diznijevu ribu Dory iz crtića “Finding Nemo” (A sada “Finding Dory”) - evo meme, evo fotografije zvijezde... Oh, pogledajte - smiješna mačka...

Stoga bi ljudi zainteresovani za ozbiljnu nauku trebali biti oprezni prema informacijama objavljenim na internetu koje tvrde naučno istraživanje, radikalno mijenjajući paradigmu nauke. Nedavni primjer je članak koji tvrdi o mogućem otkriću pete fundamentalne sile. Da je to slučaj, morali bismo da prepišemo udžbenike.

Kao fizičar, želim da bacim disciplinovano naučno svetlo na ovu izjavu.

Peta interakcija

Dakle, šta se tvrdi?

U radu dostavljenom arXiv-u 7. aprila 2015, grupa mađarskih istraživača opisala je proučavanje ponašanja intenzivnog snopa protona na tankim litijumskim metama. Otkriveni sudari su stvorili pobuđena jezgra berilijum-8, koja su se raspala na obične parove berilijum-8 i elektron-pozitron.

Naveli su da se podaci do kojih su došli ne mogu objasniti poznatim fizičke pojave u Standardnom modelu, koji upravlja modernom fizikom čestica. Ali objašnjenje za ove podatke bilo je moguće postojanjem do sada nepoznate čestice mase 17 miliona eV, koja je 32,7 puta teža od elektrona, odnosno 2% mase protona. Čestice koje se pojavljuju pri takvim energijama, koje su po modernim standardima prilično niske, dobro su proučene. I bilo bi sasvim neočekivano da se tamo otkrije nova.

Međutim, mjerenja su odložena stručna procjena i objavljeni su 26. januara 2016. u Physical Review Letters, jednom od najprestižnijih časopisa za fiziku na svijetu. Ovom publikacijom, istraživači i njihova studija prevazišli su impresivnu prepreku.

Ovo mjerenje je bilo malo primjećeno sve dok ga grupa teorijskih fizičara sa Univerziteta Kalifornije, Irvine (UCI) nije primijetila. I kao što teoretičari obično rade s kontroverznim fizičkim mjerenjima, tim ih je uporedio sa postojećim radom prikupljenim u posljednjih sto godina kako bi vidio da li se novi podaci podudaraju s već prikupljenim informacijama. U ovom slučaju su uporedili sa desetak objavljenih studija.

Otkrili su da iako mjerenja nisu bila u suprotnosti s prethodnim studijama, uočili su nešto što ranije nije viđeno - i nešto što se ne može objasniti standardnim modelom.

Nova teorijska platforma

Kako bi shvatili mađarska mjerenja, ova grupa teoretičara iz UCI-ja osmislila je novu teoriju.

Ova teorija je veoma egzotična. Počeli su s razumnom pretpostavkom da nova moguća čestica nije objašnjena postojećom teorijom. Ovo ima smisla jer moguća nova čestica ima malu masu, a da je opisana poznatim zakonima fizike, bila bi pronađena ranije. Ako ova čestica poštuje nove zakone fizike, možda postoji nova sila. Budući da fizičari tradicionalno govore o četiri poznate fundamentalne sile (gravitacija, elektromagnetizam, jaka i slaba), ova nova hipotetička sila nazvana je "peta".

Povijest teorija i otkrića pete interakcije prilično je raznolika, seže nekoliko desetljeća unatrag, au njenim okvirima nastajale su nove dimenzije i ideje da bi kasnije nestale. S druge strane, postoje misterije koje se ne mogu objasniti konvencionalnom fizikom, kao što je tamna materija. Iako se tamna materija oduvijek modelirala kao jedini oblik Za stabilnu masivnu česticu koja doživljava gravitaciju i nijednu od drugih poznatih sila, nema razloga zašto tamna materija ne bi učestvovala u interakcijama koje ne sudjeluje obična materija. Na kraju krajeva, obična materija učestvuje u interakcijama u kojima tamna materija ne učestvuje – tako da tu nema ničeg glupog.

Postoje mnoge ideje o interakcijama koje utječu samo na tamnu materiju, a sve se općenito nazivaju " kompleksne tamne materije"Jedna od poznatih ideja govori o postojanju tamnog fotona u interakciji sa tamnim nabojem koji nosi samo tamna materija. Ova čestica je tamni analog fotona obične materije koji je u interakciji sa nama poznatim električnim nabojem, ali sa jedan izuzetak: neke teorije složene tamne materije daju tamnim fotonima masu, za razliku od običnih fotona.

Ako postoje tamni fotoni, oni se mogu vezati za običnu materiju (i obične fotone) i raspasti se na parove elektron-pozitron, što je proučavala grupa mađarskih naučnika. Budući da tamni fotoni ne stupaju u interakciju s običnim električnim nabojem, ova veza može nastati samo kroz neobične karakteristike kvantne mehanike. Ali ako su naučnici počeli da primećuju povećanje broja parova elektron-pozitron, to može značiti da posmatraju tamne fotone.

Irvineova grupa pronašla je model koji uključuje "protofobičnu" česticu, koji nije isključen ranim mjerenjima, koji bi mogao objasniti mađarski rezultat. „Protofobične“, odnosno čestice koje „izbjegavaju proton“, rijetko ili gotovo nikada ne stupaju u interakciju s protonima, ali mogu stupiti u interakciju s neutronima (neutrofilima).

Čestica koju je predložila grupa Irwin uključena je u petu, nepoznatu silu koja se javlja na udaljenosti od 12 femtometara, ili 12 puta većoj od veličine protona. Čestica je protofobična i neutrofilna. Masa čestice je 17 miliona eV i može se raspasti u parove elektron-pozitron. Pored objašnjenja mađarskog eksperimenta, takva čestica bi mogla objasniti neke nedosljednosti pronađene u drugim eksperimentima. Ovo posljednje dodaje malo težine ideji.

Interakcija koja mijenja paradigmu?

To je tako.

Šta bi moglo biti istina? Data je kralj. Biće potrebno više eksperimenata kako bi se potvrdile ili opovrgle promjene. Sve ostalo nije bitno. Ali ovo će potrajati oko godinu dana i bilo bi lijepo doći do neke ideje za to vrijeme. Najbolji način Procjena vjerovatnoće da će otkriće biti stvarno je ispitivanje ugleda istraživača uključenih u eksperiment. Ovo je, naravno, vulgaran način bavljenja naukom, ali može umanjiti vaša očekivanja.

Počnimo sa Irvine grupom. Mnogi od njih (posebno menadžeri) imaju dobru reputaciju i etablirani su stručnjaci u ovoj oblasti, te imaju dobar posao. Uzrast grupe varira, ima i starijih i mlađih učesnika. Neke od njih poznajem lično, dvojica su pročitala teoretske dijelove u poglavljima knjige koju sam napisao da se uvjerim da tu nisam rekao ništa glupo (Inače, nisu našli greške, ali su pomogli razjasniti neke tačke). Ovo objašnjava moje poštovanje prema članovima Irvine grupe, iako me može učiniti i pristrasnim. Prilično sam uvjeren da je njihov rad na upoređivanju novog modela sa postojećim podacima bio temeljan i profesionalan. Otkrili su malu i neistraženu regiju mogućih teorija.

S druge strane, sama teorija je prilično spekulativna i malo vjerovatna. Ovo nije presuda - to se može reći za sve teorije. Uostalom, standardni model, koji upravlja fizikom čestica, poznat je već 50 godina i dobro je proučavan. Osim toga, sve nove teorije su spekulativne i nevjerovatne, a većina njih je netačna. Ovo takođe nije rečenica. Postoji mnogo načina da se postojeće teorije dodaju revizije kako bi se objasnili novi fenomeni. I ne mogu svi biti istiniti. A ponekad se nijedna od predloženih teorija ne pokaže tačnom.

Međutim, na osnovu ugleda članova grupe može se zaključiti da su oni došli nova ideja i uporedio sa svim relevantnim podacima. Činjenica da su objavili svoj model znači da je prošao njihove testove i ostaje uvjerljiva, iako malo vjerojatna, mogućnost.

Šta je sa mađarskom grupom? Ne poznajem nijednog od njih lično, ali članak je objavljen u Physical Review Letters - ovo im je već plus. Međutim, grupa je objavila dva prethodna rada koja su uočila slične anomalije, uključujući moguću česticu od 12 miliona eV i česticu od 14 miliona eV. Oba rada su opovrgnuta drugim eksperimentima.

Nadalje, mađarska grupa nikada nije objasnila šta je uzrokovalo greške u opovrgnutim radovima. Još jedna crvena zastavica je da grupa rijetko objavljuje podatke koji ne sadrže anomalije. Ovo je malo vjerovatno. U mojoj istraživačkoj karijeri, većina publikacija je podržavala postojeće teorije. Ponovljene anomalije su vrlo rijetke.

Dakle, šta je suština? Trebamo li se radovati novom mogućem otkriću? Pa, naravno, moguća otkrića su uvijek zanimljiva. Standardni model je izdržao testiranje 50 godina, ali još uvijek postoje nerazjašnjene misterije, a naučna zajednica uvijek traži otkrića koja upućuju na nove i nedokazane teorije. Ali koje su šanse da će ovo mjerenje i teorija navesti naučnu zajednicu da prihvati postojanje pete sile s rasponom od 12 fm i čestice koja izbjegava protone? Čini mi se da su male šanse. Nisam optimista po pitanju ideje.

Naravno, mišljenje je samo mišljenje, iako informativno. Drugi eksperimenti će takođe tražiti tamne fotone, jer čak i ako mađarska merenja ne uspeju na testovima, problem tamne materije će i dalje postojati. Mnogi eksperimenti u potrazi za tamnim fotonima će proučavati isti prostor parametara (energija, masa i modus raspada) u kojem je, prema mađarskim istraživačima, pronađena anomalija. Uskoro ćemo u roku od godinu dana znati da li je ova anomalija bila otkriće ili samo još jedna greška koja je privremeno uznemirila zajednicu, da bi bila odbačena kada tačniji podaci postanu dostupni. Ali bez obzira kako se završi, rezultat će i dalje biti poboljšana nauka.

Tagovi:

• peta interakcija
• peta sila
• kvantna fizika
• standardni model

Dodaj oznake