Jokapäiväisessä elämässä kohtaamme erilaisia ​​voimia, jotka syntyvät kappaleiden törmäyksestä, kitkasta, räjähdyksestä, kierteiden kireydestä, jousen puristamisesta jne. Kaikki nämä voimat ovat kuitenkin seurausta atomien sähkömagneettisesta vuorovaikutuksesta keskenään. Maxwell loi sähkömagneettisen vuorovaikutuksen teorian vuonna 1863.

Toinen pitkään tunnettu vuorovaikutus on painovoiman vuorovaikutus kappaleiden välillä, joilla on massaa. Vuonna 1915 Einstein loi yleisen suhteellisuusteorian, joka yhdisti gravitaatiokentän aika-avaruuden kaarevuuteen.

1930-luvulla havaittiin, että atomien ytimet koostuvat nukleoneista, eivätkä sähkömagneettiset tai gravitaatiovuorovaikutukset voi selittää, mikä pitää nukleonit ytimessä. Vahvaa vuorovaikutusta ehdotettiin kuvaamaan ytimessä olevien nukleonien vuorovaikutusta.

Mikromaailman tutkimusta jatkettaessa kävi ilmi, että joitain ilmiöitä ei kuvata kolmella vuorovaikutustyypillä. Siksi neutronin hajoamisen ja muiden vastaavien prosessien kuvaamiseksi ehdotettiin heikkoa vuorovaikutusta.

Nykyään kaikki tunnetut luonnonvoimat ovat neljän tulosta perustavanlaatuisia vuorovaikutuksia , joka voidaan järjestää intensiteetin mukaan laskevaan järjestykseen seuraavassa järjestyksessä:

• 1) vahva vuorovaikutus;
• 2) sähkömagneettinen vuorovaikutus;
• 3) heikko vuorovaikutus;
• 4) gravitaatiovuorovaikutus.

Perusvuorovaikutuksia kuljettavat alkuainehiukkaset - perusvuorovaikutusten kantajat. Näitä hiukkasia kutsutaan mittaa bosonit. Kehojen perustavanlaatuisten vuorovaikutusten prosessi voidaan esittää seuraavasti. Jokainen keho lähettää hiukkasia - vuorovaikutuksen kantajia, jotka toinen keho absorboi. Tässä tapauksessa kehot kokevat keskinäistä vaikutusta.

Vahva vuorovaikutus voi esiintyä protonien, neutronien ja muiden hadronien välillä (katso alla). Se on lyhyen kantaman ja sille on ominaista voimien vaikutussäde, joka on suuruusluokkaa 10 15 m. Hadronien välisen vahvan vuorovaikutuksen kantaja on pionit, ja vuorovaikutuksen kesto on noin 10 23 s.

Sähkömagneettinen vuorovaikutus on neljä suuruusluokkaa pienempi intensiteetti verrattuna vahvaan vuorovaikutukseen. Se tapahtuu varautuneiden hiukkasten välillä. Sähkömagneettinen vuorovaikutus on pitkän kantaman ja sille on ominaista ääretön voimaalue. Sähkömagneettisen vuorovaikutuksen kantajat ovat fotonit, ja vuorovaikutuksen kesto on noin 10-20 s.

Heikko vuorovaikutus on 20 suuruusluokkaa pienempi intensiteetti verrattuna vahvaan vuorovaikutukseen. Se voi syntyä hadronien ja leptonien välillä (katso alla). Leptoneihin kuuluvat erityisesti elektroni ja neutrino. Esimerkki heikosta vuorovaikutuksesta on edellä käsitelty neutronin p-hajoaminen. Heikko vuorovaikutus on lyhyen kantaman ja sille on ominaista voimien vaikutussäde luokkaa 10 18 m. Heikon vuorovaikutuksen kantaja on vektoribosonit, ja vuorovaikutuksen kesto on noin 10 10 s.

Gravitaatiovuorovaikutus on 40 suuruusluokkaa pienempi intensiteetti verrattuna vahvaan vuorovaikutukseen. Se tapahtuu kaikkien hiukkasten välillä. Gravitaatiovuorovaikutus on pitkän kantaman ja sille on ominaista ääretön joukko voimia. Gravitaatiovuorovaikutuksen kantaja voi olla gravitonit. Näitä hiukkasia ei ole vielä löydetty, mikä saattaa johtua gravitaatiovuorovaikutuksen alhaisesta intensiteetistä. Se liittyy myös siihen, että massojen pienuudesta johtuen alkuainehiukkasia tämä vuorovaikutus on merkityksetön ydinfysiikan prosesseissa.

Vuonna 1967 A. Salam ja S. Weinberg ehdottivat sähköheikon vuorovaikutuksen teoria, joka yhdistää sähkömagneettisen ja heikon vuorovaikutuksen. Vuonna 1973 luotiin teoria vahvasta vuorovaikutuksesta kvanttikromodynamiikka. Kaikki tämä mahdollisti luomisen standardi malli alkuainehiukkaset, jotka kuvaavat sähkömagneettista, heikkoa ja voimakasta vuorovaikutusta. Kaikki kolme tässä tarkasteltua vuorovaikutustyyppiä syntyvät sen oletuksen seurauksena, että maailmamme on symmetrinen kolmen tyyppisten mittamuunnosten suhteen.

Muinaisista ajoista lähtien ihminen on pyrkinyt tuntemaan ja ymmärtämään ympäröivää fyysistä maailmaa. Osoittautuu, että kaikki maailmassamme tapahtuvat fysikaalisten prosessien ääretön määrä voidaan selittää luonnossa hyvin pienellä määrällä perustavanlaatuisia vuorovaikutuksia. Niiden vuorovaikutus keskenään selittää taivaankappaleiden järjestyksen universumissa. Juuri he ovat "elementtejä", jotka liikuttavat taivaankappaleita, tuottavat valoa ja mahdollistavat itse elämän (vrt. Sovellus ).
Näin ollen kaikki luonnon prosessit ja ilmiöt, olipa kyseessä omenan putoaminen, supernovan räjähdys, pingviinin hyppy tai aineiden radioaktiivinen hajoaminen, tapahtuvat näiden vuorovaikutusten seurauksena.
Näiden kappaleiden aineen rakenne on vakaa sen muodostavien hiukkasten välisten sidosten ansiosta.

1. VUOROVAIKUTUKSET

Huolimatta siitä, että aine sisältää suuren määrän alkuainehiukkasia, niiden välillä on vain neljän tyyppisiä perustavanlaatuisia vuorovaikutuksia: gravitaatio, heikko, sähkömagneettinen ja vahva.
Kaikkein kattavin on painovoimainen vuorovaikutusta . Kaikki materiaalien vuorovaikutukset poikkeuksetta ovat sen alaisia ​​- sekä mikrohiukkaset että makroeliöt. Tämä tarkoittaa, että kaikki alkuainehiukkaset osallistuvat siihen. Se näkyy lomakkeessa painovoima. painovoima (lat. Gravitas - painovoima) ohjaa maailmankaikkeuden globaaleimpia prosesseja, erityisesti varmistaa aurinkokuntamme rakenteen ja vakauden. Nykyaikaisten käsitteiden mukaan jokainen vuorovaikutus tapahtuu hiukkasten vaihdon seurauksena, joita kutsutaan tämän vuorovaikutuksen kantajiksi. Gravitaatiovuorovaikutus tapahtuu vaihdon kautta gravitonit .
, samoin kuin gravitaatio, luonteeltaan pitkän kantaman: vastaavat voimat voivat ilmetä hyvinkin suurilla etäisyyksillä. Sähkömagneettista vuorovaikutusta kuvataan samantyyppisillä (sähköisillä) varauksilla, mutta näillä varauksilla voi olla jo kaksi merkkiä - positiivinen ja negatiivinen. Toisin kuin painovoima, sähkömagneettiset voimat voivat olla sekä houkuttelevia että torjuvia voimia. Fyysinen ja Kemialliset ominaisuudet erilaiset aineet, materiaalit ja itse elävä kudos johtuvat tästä vuorovaikutuksesta. Se ohjaa myös kaikkia sähkö- ja elektroniikkalaitteita, ts. sitoo vain varautuneita hiukkasia yhteen. Makrokosmoksen sähkömagneettisen vuorovaikutuksen teoriaa kutsutaan klassiseksi sähködynamiikaksi.
Heikko vuorovaikutus vähemmän tunnettu fyysikkojen ja tähtitieteilijöiden kapean piirin ulkopuolella, mutta tämä ei vähennä sen merkitystä. Riittää, kun sanotaan, että jos sitä ei olisi, aurinko ja muut tähdet sammuisivat, koska niiden hehkua varmistavissa reaktioissa heikko vuorovaikutus on erittäin tärkeä rooli. tärkeä rooli. Heikko vuorovaikutus on lyhyen kantaman: sen säde on noin 1000 kertaa pienempi kuin ydinvoimien säde.
Vahva vuorovaikutus - tehokkain kaikista muista. Se määrittää sidokset vain hadronien välillä. Atomiytimen nukleonien välillä vaikuttavat ydinvoimat ovat tämän tyyppisen vuorovaikutuksen ilmentymä. Se on noin 100 kertaa vahvempi kuin sähkömagneettinen. Toisin kuin jälkimmäinen (sekä gravitaatio), se on ensinnäkin lyhyen kantaman yli 10-15 m etäisyydellä (ytimen koon suuruusluokkaa), vastaavat voimat protonien ja neutronien välillä, jyrkästi vähenevät, lakkaavat sitomasta niitä toisiinsa. Toiseksi se voidaan kuvata tyydyttävästi vain kolmen varauksen (värin) avulla, jotka muodostavat monimutkaisia ​​yhdistelmiä.
Taulukossa 1 on ehdollisesti esitetty tärkeimmät pääryhmiin kuuluvat alkuainehiukkaset (hadronit, leptonit, vuorovaikutuksen kantajat).

pöytä 1

Perusalkuainehiukkasten osallistuminen vuorovaikutukseen

Perusvuorovaikutuksen tärkein ominaisuus on sen laajuus. Toimintasäde on hiukkasten välinen maksimietäisyys, jonka jälkeen niiden vuorovaikutus voidaan jättää huomiotta. (Taulukko 2). Pienellä säteellä vuorovaikutusta kutsutaan lyhyen kantaman , suurella pitkän kantaman .

taulukko 2

Perusvuorovaikutusten pääominaisuudet

Vahvat ja heikot vuorovaikutukset ovat lyhytkestoisia . Niiden intensiteetti pienenee nopeasti, kun hiukkasten välinen etäisyys kasvaa. Tällaiset vuorovaikutukset ilmenevät lyhyellä etäisyydellä, joita aistit eivät voi havaita. Tästä syystä nämä vuorovaikutukset löydettiin myöhemmin kuin muut (vain 1900-luvulla) käyttämällä monimutkaisia ​​kokeellisia järjestelyjä. Sähkömagneettinen ja gravitaatiovuorovaikutus ovat pitkän kantaman . Tällaiset vuorovaikutukset vähenevät hitaasti hiukkasten välisen etäisyyden kasvaessa, eikä niillä ole rajallista toimintasädettä.

2. VUOROVAIKUTUS AINEEN RAKENTEIDEN YHTEYDENÄ

Atomiytimessä protonien ja neutronien välinen sidos aiheuttaa vahva vuorovaikutus . Se tarjoaa ytimen poikkeuksellisen lujuuden, joka on aineen stabiilisuuden taustalla maanpäällisissä olosuhteissa.

Heikko vuorovaikutus miljoona kertaa vähemmän intensiivinen kuin vahva. Se vaikuttaa suurimman osan alle 10–17 m etäisyydellä toisistaan ​​olevien alkuainehiukkasten väliin.Heikko vuorovaikutus määrää uraanin radioaktiivisen hajoamisen, lämpöydinfuusioreaktiot Auringossa. Kuten tiedätte, Auringon säteily on tärkein elämän lähde maan päällä.

Sähkömagneettinen vuorovaikutus , koska se on pitkän kantaman, määrittää aineen rakenteen vahvan vuorovaikutuksen alueen ulkopuolella. Sähkömagneettinen vuorovaikutus sitoo elektroneja ja ytimiä atomeissa ja molekyyleissä. Se yhdistää atomeja ja molekyylejä erilaisiksi aineiksi, määrittää kemialliset ja biologiset prosessit. Tälle vuorovaikutukselle ovat ominaisia ​​elastisuus-, kitka-, viskositeetti- ja magneettiset voimat. Erityisesti lyhyillä etäisyyksillä sijaitsevien molekyylien sähkömagneettinen hylkiminen aiheuttaa tukireaktiovoiman, jonka seurauksena emme esimerkiksi putoa lattian läpi. Sähkömagneettisella vuorovaikutuksella ei ole merkittävää vaikutusta makroskooppisten kappaleiden keskinäiseen liikkeeseen suuri massa, koska jokainen runko on sähköisesti neutraali, ts. se sisältää noin sama numero positiiviset ja negatiiviset varaukset.

Gravitaatiovuorovaikutus suoraan verrannollinen vuorovaikutuksessa olevien kappaleiden massaan. Alkuainehiukkasten massan pienestä johtuen hiukkasten välinen gravitaatiovuorovaikutus on pieni verrattuna muihin vuorovaikutustyyppeihin, joten mikrokosmoksen prosesseissa tämä vuorovaikutus on merkityksetön. Vuorovaikutuksessa olevien kappaleiden massan kasvaessa (eli niiden sisältämien hiukkasten lukumäärän kasvaessa) kappaleiden välinen gravitaatiovuorovaikutus kasvaa suoraan suhteessa niiden massaan. Tässä suhteessa makrokosmuksessa, kun tarkastellaan planeettojen, tähtien, galaksien liikettä sekä pienten makroskooppisten kappaleiden liikettä kentissään, gravitaatiovuorovaikutus tulee ratkaisevaksi. Se pitää sisällään ilmakehän, meret ja kaiken elävän ja eloton maan päällä, maapallon Auringon ympärillä, Aurinkoa galaksissa. Gravitaatiovuorovaikutuksella on tärkeä rooli tähtien muodostumisessa ja kehityksessä. Alkuainehiukkasten perusvuorovaikutukset on kuvattu erityisillä kaavioilla, joissa todellinen hiukkanen vastaa suoraa ja sen vuorovaikutus toisen hiukkasen kanssa on kuvattu joko katkoviivalla tai käyrällä (kuva 1).

Alkuainehiukkasten vuorovaikutuskaaviot

Nykyajan fyysisiä käsitteitä perustavanlaatuisista vuorovaikutuksista jalostetaan jatkuvasti. Vuonna 1967 Sheldon Glashow, Abdus Salam Ja Steven Weinberg loi teorian, jonka mukaan sähkömagneettinen ja heikko vuorovaikutus ovat osoitus yksittäisestä sähköheikosta vuorovaikutuksesta. Jos etäisyys alkuainehiukkasesta on pienempi kuin heikkojen voimien toiminta-alue (10–17 m), sähkömagneettisen ja heikon vuorovaikutuksen välinen ero katoaa. Näin ollen perustavanlaatuisten vuorovaikutusten määrä väheni kolmeen.

Suuri yhdistymisteoria.
Jotkut fyysikot, erityisesti G. Georgi ja S. Glashow, ehdottivat, että siirtymisessä korkeampiin energioihin pitäisi tapahtua vielä yksi sulautuminen - sähköheikon vuorovaikutuksen yhdistäminen vahvan kanssa. Vastaavia teoreettisia kaavioita kutsutaan suureksi yhtenäiseksi teoriaksi. Tätä teoriaa testataan parhaillaan kokeellisesti. Tämän teorian mukaan, joka yhdistää vahvat, heikot ja sähkömagneettiset vuorovaikutukset, on olemassa vain kahdenlaisia ​​vuorovaikutuksia: yhtenäinen ja gravitaatio. On mahdollista, että kaikki neljä vuorovaikutusta ovat vain yksittäisen vuorovaikutuksen erityisiä ilmentymiä. Tällaisten oletusten edellytykset otetaan huomioon, kun keskustellaan maailmankaikkeuden syntyteoriasta (alkuräjähdysteoria). Big Bang -teoria selittää, kuinka aineen ja energian yhdistelmä synnytti tähdet ja galaksit.

Ymmärtää, kannattaako jatkaa lyhyiden luonnosten kirjoittamista, jotka selittävät kirjaimellisesti erilaisia ​​fysikaalisia ilmiöitä ja prosesseja kirjaimellisesti sormilla. Tulos hälvensi epäilykseni. Jatkan. Mutta jotta voit lähestyä melko monimutkaisia ​​​​ilmiöitä, sinun on tehtävä erillinen peräkkäinen viestisarja. Joten päästäkseen tarinaan Auringon ja muun tyyppisten tähtien rakenteesta ja kehityksestä, on aloitettava kuvauksella alkeishiukkasten välisen vuorovaikutuksen tyypeistä. Aloitetaan tästä. Ilman kaavoja.
Fysiikassa tunnetaan yhteensä neljä vuorovaikutustyyppiä. Kaikki hyvin tiedossa painovoimainen Ja sähkömagneettinen. Ja lähes tuntematon suurelle yleisölle vahva Ja heikko. Kuvataan niitä peräkkäin.
Gravitaatiovuorovaikutus . Ihminen on tuntenut hänet muinaisista ajoista lähtien. Sillä se on jatkuvasti Maan painovoimakentässä. Ja koulufysiikasta tiedämme, että kappaleiden välisen gravitaatiovuorovaikutuksen voima on verrannollinen niiden massojen tuloon ja kääntäen verrannollinen niiden välisen etäisyyden neliöön. Painovoiman vaikutuksesta Kuu pyörii Maan ympäri, Maa ja muut planeetat Auringon ympärillä ja viimeksi mainitut yhdessä muiden tähtien kanssa galaksimme keskuksen ympärillä.
Melko hidas gravitaatiovuorovaikutuksen voimakkuuden väheneminen etäisyyden kanssa (käänteisesti verrannollinen etäisyyden neliöön) saa fyysikot puhumaan tästä vuorovaikutuksesta pitkän kantaman. Lisäksi kappaleiden välillä vaikuttavat gravitaatiovoimat ovat vain vetovoimaa.
Sähkömagneettinen vuorovaikutus . Yksinkertaisimmassa sähköstaattisen vuorovaikutuksen tapauksessa, kuten tiedämme koulufysiikasta, sähköisesti varautuneiden hiukkasten välinen veto- tai hylkimisvoima on verrannollinen niiden sähkövarausten tuloon ja kääntäen verrannollinen niiden välisen etäisyyden neliöön. Mikä on hyvin samanlainen kuin gravitaatiovuorovaikutuksen laki. Ainoa ero on, että sähkövaraukset, joilla on sama merkki, hylkivät ja erimerkkiset vetävät puoleensa. Siksi fyysikot kutsuvat sähkömagneettista vuorovaikutusta, kuten gravitaatiota pitkän kantaman.
Samaan aikaan sähkömagneettinen vuorovaikutus on monimutkaisempi kuin gravitaatio. Koulufysiikasta tiedämme, että sähkövaraukset synnyttävät sähkökentän, magneettisia varauksia ei ole luonnossa ja magneettikenttä syntyy sähkövirroista.
Itse asiassa sähkökenttä voidaan luoda myös ajassa muuttumalla magneettikenttä, ja magneettikenttä on ajassa muuttuva sähkökenttä. Jälkimmäinen seikka mahdollistaa sähkömagneettisen kentän olemassaolon ilman sähkövarauksia ja virtoja. Ja tämä mahdollisuus toteutuu sähkömagneettisten aaltojen muodossa. Esimerkiksi radioaallot ja valokvantit.
Sähkö- ja gravitaatiovoimien samanlaisen etäisyysriippuvuuden vuoksi on luonnollista yrittää vertailla niiden voimakkuuksia. Joten kahdelle protonille gravitaatiovoimat osoittautuvat 10:stä 36. potenssiin (miljardi miljardi miljardia kertaa) heikommiksi kuin sähköstaattisen hylkimisen voimat. Siksi mikrokosmoksen fysiikassa gravitaatiovuorovaikutus voidaan melko kohtuudella jättää huomiotta.
Vahva vuorovaikutus . Tämä - lyhyt kantama vahvuus. Siinä mielessä, että ne toimivat vain yhden femtometrin (milmetrin biljoonasosan) etäisyyksillä ja suurilla etäisyyksillä niiden vaikutusta ei käytännössä tunneta. Lisäksi yhden femtometrin luokkaa olevilla etäisyyksillä voimakas vuorovaikutus on noin sata kertaa voimakkaampi kuin sähkömagneettinen.
Tästä syystä atomiytimen yhtä sähköisesti varautuneet protonit eivät hylkää toisiaan sähköstaattisten voimien vaikutuksesta, vaan niitä pitää koossa vahva vuorovaikutus. Koska protonin ja neutronin koko on noin yksi femtometri.
Heikko vuorovaikutus . Se on todella heikko. Ensinnäkin se toimii etäisyyksillä, jotka ovat tuhat kertaa pienempiä kuin yksi femtometri. Ja pitkillä etäisyyksillä sitä ei käytännössä tunneta. Siksi se, kuten vahva, kuuluu luokkaan lyhyen kantaman. Toiseksi sen intensiteetti on noin sata miljardia kertaa pienempi kuin sähkömagneettisen vuorovaikutuksen intensiteetti. Heikko vuorovaikutus on vastuussa joistakin alkuainehiukkasten hajoamisesta. mukaan lukien vapaat neutronit.
On vain yhden tyyppisiä hiukkasia, jotka ovat vuorovaikutuksessa aineen kanssa vain heikon vuorovaikutuksen kautta. Tämä on neutriino. Lähes sata miljardia auringon neutriinoa kulkee ihomme jokaisen neliösenttimetrin läpi joka sekunti. Ja me emme huomaa niitä ollenkaan. Siinä mielessä, että elämämme aikana on epätodennäköistä, että muutama neutrinonpala olisi vuorovaikutuksessa kehomme aineen kanssa.
Emme puhu teorioista, jotka kuvaavat kaikkia tämäntyyppisiä vuorovaikutuksia. Sillä laadullinen maailmankuva on meille tärkeä, ei teoreetikkojen hienostuneisuus.

Mitä sisällä erilaisia ​​aineita kirves sisältää melko paljon alkeishiukkasia, perusaine fyysisiä vuorovaikutuksia joita edustaa neljä tyyppiä: vahva, sähkömagneettinen, heikko ja gravitaatio. Jälkimmäistä pidetään kattavimpana.

Painovoima on poikkeuksetta kaikkien makro- ja mikrohiukkasten alainen. Ehdottomasti kaikki alkuainehiukkaset ovat alttiina painovoimalle. Se ilmenee universaalina gravitaationa. Tämä perustavanlaatuinen vuorovaikutus hallitsee maailmankaikkeudessa tapahtuvia globaaleimpia prosesseja. Painovoima takaa aurinkokunnan rakenteellisen vakauden.

Nykyaikaisten käsitteiden mukaisesti perustavanlaatuisia vuorovaikutuksia syntyy hiukkasten vaihdon seurauksena. Painovoima muodostuu gravitonien vaihdon kautta.

Perusvuorovaikutukset - gravitaatio ja sähkömagneettiset - ovat luonteeltaan pitkän kantaman vuorovaikutuksia. Niitä vastaavat voimat voivat ilmetä huomattavilta etäisyyksiltä. Tässä tapauksessa näillä perustavanlaatuisilla vuorovaikutuksilla on omat erityispiirteensä.

Kuvataan samantyyppisillä latauksilla (sähkö). Tässä tapauksessa varaukset voivat olla sekä positiivisia että negatiivinen merkki. Sähkömagneettiset voimat, toisin kuin (painovoima), voivat toimia torjuvina ja houkuttelevina voimina. Tämä vuorovaikutus on vastuussa kemiallisista ja fyysiset ominaisuudet erilaisia ​​aineita, materiaaleja, elävää kudosta. Sähkömagneettiset voimat aktivoivat sekä elektronisia että sähkölaitteita ja sitovat varautuneita hiukkasia yhteen.

Perusvuorovaikutukset tunnetaan tähtitieteilijöiden ja fyysikkojen kapean piirin ulkopuolella vaihtelevassa määrin.

Vaikka heikot voimat ovat vähemmän tunnettuja (verrattuna muihin tyyppeihin), heillä on tärkeä rooli maailmankaikkeuden elämässä. Joten jos ei olisi heikkoa vuorovaikutusta, tähdet, aurinko, sammuisivat. Nämä voimat ovat lyhyen kantaman. Säde on noin tuhat kertaa pienempi kuin ydinvoimien säde.

Ydinvoimia pidetään voimakkaimpana muista. Vahva vuorovaikutus määrittää vain hadronien väliset sidokset. Nukleonien välillä vaikuttavat ydinvoimat ovat sen ilmentymä. noin sata kertaa tehokkaampi kuin sähkömagneettinen. Gravitaatiosta poiketen (kuten itse asiassa sähkömagneettisesta) se on lyhyen kantaman etäisyydellä, joka on yli 10-15 m. Lisäksi sen kuvaus on mahdollista kolmen kompleksin muodostavan varauksen avulla. yhdistelmiä.

Toimintasädettä pidetään tärkeimpänä perustavanlaatuisen vuorovaikutuksen merkkinä. Toimintasäde on suurin etäisyys, joka muodostuu hiukkasten välille. Sen laajuuden lisäksi vuorovaikutus voidaan jättää huomiotta. Pieni säde luonnehtii voimaa lyhyen kantamana, suuri säde - pitkän kantamana.

Kuten edellä todettiin, heikkoja ja vahvoja vuorovaikutuksia pidetään lyhyen kantamana. Niiden intensiteetti pienenee melko nopeasti, kun hiukkasten välinen etäisyys kasvaa. Nämä vuorovaikutukset ilmenevät pienillä etäisyyksillä, joihin aistielinten kautta ei päästä käsiksi. Tässä suhteessa nämä voimat löydettiin paljon myöhemmin kuin muut (vasta 1900-luvulla). Tässä tapauksessa käytettiin melko monimutkaisia ​​kokeellisia järjestelyjä. Gravitaatio- ja sähkömagneettisten perusvuorovaikutusten tyyppejä pidetään pitkän kantaman vuorovaikutuksina. Niille on ominaista hidas väheneminen hiukkasten välisen etäisyyden kasvaessa, eikä niillä ole rajallista toimintasädettä.

Korkeaenergisen fysiikan nykyaikaiset saavutukset vahvistavat yhä enemmän ajatusta, että luonnon ominaisuuksien monimuotoisuus johtuu vuorovaikutuksessa olevista alkuainehiukkasista. Alkuainehiukkaselle on ilmeisesti mahdotonta antaa epävirallista määritelmää, koska puhumme aineen tärkeimmistä alkuaineista. Laadullisella tasolla voimme sanoa, että fyysisiä esineitä, joilla ei ole osia, kutsutaan todellisiksi alkuainehiukkasiksi.
Ilmeisesti kysymys fyysisten esineiden alkeellisuudesta on ensisijaisesti kokeellinen kysymys. Esimerkiksi on kokeellisesti osoitettu, että molekyylit, atomit, atomiytimet niissä on sisäinen rakenne, joka osoittaa komponenttien olemassaolon. Siksi niitä ei voida pitää alkuainehiukkasina. Äskettäin on havaittu, että hiukkasilla, kuten mesoneilla ja baryoneilla, on myös sisäinen rakenne, eivätkä ne siksi ole alkuaineita. Samaan aikaan elektronin sisäistä rakennetta ei ole koskaan havaittu, ja siksi se voidaan katsoa alkuainehiukkasten ansioksi. Toinen esimerkki alkuainehiukkasesta on valon kvantti - fotoni.
Nykyaikaiset kokeelliset tiedot osoittavat, että on olemassa vain neljä laadullisesti erilaista vuorovaikutusta, joihin alkuainehiukkaset osallistuvat. Näitä vuorovaikutuksia kutsutaan perustavanlaatuisiksi, eli alkeisimmiksi, alkuperäisimmiksi, ensisijaisiksi. Jos otamme huomioon ympärillämme olevan maailman ominaisuuksien monimuotoisuuden, näyttää täysin yllättävältä, että luonnossa on vain neljä perusvuorovaikutusta, jotka ovat vastuussa kaikista luonnonilmiöistä.
Laadullisten erojen lisäksi perustavanlaatuiset vuorovaikutukset eroavat kvantitatiivisesti vaikutuksen voimakkuuden suhteen, jolle on tunnusomaista termi intensiteetti. Kun intensiteetti kasvaa, perusvuorovaikutukset järjestetään seuraavaan järjestykseen: gravitaatio, heikko, sähkömagneettinen ja voimakas. Jokaiselle näistä vuorovaikutuksista on tunnusomaista vastaava parametri, jota kutsutaan kytkentävakioksi, jonka numeerinen arvo määrittää vuorovaikutuksen intensiteetin.
Kuinka fyysiset esineet suorittavat perustavanlaatuista vuorovaikutusta keskenään? Laadullisesti vastaus tähän kysymykseen on seuraava. Kvantit kuljettavat perustavanlaatuisia vuorovaikutuksia. Samaan aikaan kvanttikentässä perusvuorovaikutukset vastaavat vastaavia alkuainehiukkasia, joita kutsutaan alkuainehiukkasiksi - vuorovaikutuksen kantajiksi. Vuorovaikutusprosessissa fyysinen esine lähettää hiukkasia - vuorovaikutuksen kantajia, jotka toinen fyysinen esine absorboi. Tämä johtaa siihen, että esineet näyttävät tuntevan toisensa, niiden energian, liikkeen luonteen, tilanmuutoksen, eli he kokevat keskinäistä vaikutusta.
Nykyaikaisessa korkeaenergisessä fysiikassa ajatus perusvuorovaikutusten yhdistämisestä on tulossa yhä tärkeämmäksi. Yhdistämisajatusten mukaan luonnossa on vain yksi perusvuorovaikutus, joka ilmenee erityisiä tilanteita gravitaatiovoimana, heikona tai sähkömagneettisena tai vahvana tai niiden yhdistelmänä. Yhdistämisideoiden onnistunut toteutus oli jo standardi yhtenäisen teorian luominen sähkömagneettisista ja heikkoja vuorovaikutuksia. Parhaillaan kehitetään yhtenäistä teoriaa sähkömagneettisista, heikkoista ja vahvoista vuorovaikutuksista, jota kutsutaan suureksi yhdistämisteoriaksi. Kaikkien neljän perusvuorovaikutuksen yhdistämisperiaatetta yritetään löytää. Tarkastelemme peräkkäin perustavanlaatuisten vuorovaikutusten tärkeimpiä ilmenemismuotoja.

Gravitaatiovuorovaikutus

Tämä vuorovaikutus on luonteeltaan universaalia, kaikki ainetyypit, kaikki luonnon esineet, kaikki alkuainehiukkaset osallistuvat siihen! Yleisesti hyväksytty klassinen (ei kvantti) gravitaatiovuorovaikutuksen teoria on Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria. Painovoima määrää planeettojen liikkeen sisällä tähtijärjestelmät, on tärkeä rooli tähdissä tapahtuvissa prosesseissa, ohjaa maailmankaikkeuden kehitystä ja ilmenee maanpäällisissä olosuhteissa molemminpuolisen vetovoiman voimana. Tietenkin olemme listanneet vain pienen määrän esimerkkejä valtavasta painovoimavaikutusten luettelosta.
Mukaan yleinen teoria Suhteellisuusteorian mukaan painovoima liittyy aika-avaruuden kaarevyyteen ja sitä kuvataan ns. Riemannilaisen geometrian avulla. Tällä hetkellä kaikki painovoiman kokeelliset ja havainnolliset tiedot sopivat yleisen suhteellisuusteorian kehykseen. Tiedot vahvoista gravitaatiokentistä puuttuvat kuitenkin olennaisesti, joten tämän teorian kokeelliset näkökohdat herättävät monia kysymyksiä. Tämä tilanne synnyttää erilaisia ​​vaihtoehtoisia painovoimateorioita, joiden ennusteita ei käytännössä voida erottaa yleisen suhteellisuusteorian ennusteista fysikaalisille vaikutuksille. aurinkokunta, mutta johtavat muihin seurauksiin vahvoissa gravitaatiokentissä.
Jos jätämme huomiotta kaikki relativistiset vaikutukset ja rajoitamme heikkoihin kiinteisiin gravitaatiokenttiin, niin yleinen suhteellisuusteoria pelkistyy newtonilaiseen universaalin gravitaatioteoriaan. Tässä tapauksessa, kuten tiedetään, kahden pistehiukkasen, joiden massat ovat m 1 ja m 2, vuorovaikutuksen potentiaalienergia saadaan suhteesta

missä r on hiukkasten välinen etäisyys, G on Newtonin gravitaatiovakio, jolla on gravitaatiovuorovaikutusvakion rooli. Tämä suhde osoittaa, että potentiaalinen vuorovaikutusenergia V(r) ei ole nolla mille tahansa äärelliselle r:lle ja putoaa nollaan hyvin hitaasti. Tästä syystä gravitaatiovuorovaikutuksen sanotaan olevan pitkän kantaman.
Yleisen suhteellisuusteorian monista fysikaalisista ennusteista huomaamme kolme. Teoreettisesti on osoitettu, että gravitaatiohäiriöt voivat levitä avaruudessa gravitaatioaaltojen muodossa. Heikkojen gravitaatiohäiriöiden leviäminen on monella tapaa samanlaista elektromagneettiset aallot. Niiden nopeus on yhtä suuri kuin valon nopeus, niillä on kaksi polarisaatiotilaa, niille on ominaista häiriö- ja diffraktioilmiöt. Gravitaatioaaltojen äärimmäisen heikon vuorovaikutuksen vuoksi aineen kanssa niiden suora kokeellinen havainto ei kuitenkaan ole vielä ollut mahdollista. Joidenkin tähtitieteellisten havaintojen tiedot kaksoistähtijärjestelmien energiahäviöstä viittaavat kuitenkin gravitaatioaaltojen mahdolliseen olemassaoloon luonnossa.
Teoreettinen tutkimus tähtien tasapainoolosuhteista yleisen suhteellisuusteorian puitteissa osoittaa, että tietyissä olosuhteissa riittävän massiiviset tähdet voivat alkaa kutistua katastrofaalisesti. Tämä osoittautuu mahdolliseksi tähden evoluution varsin myöhäisissä vaiheissa, jolloin tähden kirkkaudesta vastuussa olevien prosessien aiheuttama sisäinen paine ei pysty tasapainottamaan tähteä puristavien gravitaatiovoimien painetta. Tämän seurauksena pakkausprosessia ei voi enää pysäyttää millään. Kuvattua fysikaalista ilmiötä, joka ennustettiin teoreettisesti yleisen suhteellisuusteorian puitteissa, kutsuttiin gravitaatioksi romahdukseksi. Tutkimukset ovat osoittaneet, että jos tähden säde tulee pienemmäksi kuin niin sanottu gravitaatiosäde

Rg \u003d 2GM / c 2,

missä M on tähden massa ja c on valon nopeus, niin ulkopuoliselle tarkkailijalle tähti sammuu. Mikään tieto tässä tähdessä tapahtuvista prosesseista ei pääse ulkopuoliselle tarkkailijalle. Tässä tapauksessa tähden päälle putoavat kappaleet ylittävät vapaasti gravitaatiosäteen. Jos tarkkailija on tarkoitettu sellaiseksi kappaleeksi, hän ei huomaa muuta kuin painovoiman lisääntymistä. Siten on olemassa avaruusalue, johon pääsee sisään, mutta josta ei voi poistua mikään, mukaan lukien valonsäde. Tätä avaruuden aluetta kutsutaan mustaksi aukoksi. Mustien aukkojen olemassaolo on yksi yleisen suhteellisuusteorian teoreettisista ennusteista, jotkut vaihtoehtoiset painovoimateoriat on rakennettu siten, että ne kieltävät tämän tyyppiset ilmiöt. Tässä suhteessa kysymys mustien aukkojen todellisuudesta on yksinomaan merkitys. Tällä hetkellä on havainnointitietoja, jotka osoittavat mustien aukkojen esiintymisen maailmankaikkeudessa.
Yleisen suhteellisuusteorian puitteissa oli ensimmäistä kertaa mahdollista muotoilla maailmankaikkeuden evoluution ongelma. Siten maailmankaikkeudesta kokonaisuutena ei tule spekulatiivisen päättelyn aihetta, vaan fyysisen tieteen kohde. Fysiikan alaa, joka käsittelee maailmankaikkeutta kokonaisuutena, kutsutaan kosmologiaksi. Nyt katsotaan vakaasti vakiintuneeksi, että elämme laajentuvassa universumissa.
Moderni maalaus Universumin evoluutio perustuu ajatukseen, että maailmankaikkeus, mukaan lukien sen ominaisuudet, kuten tila ja aika, syntyi erityisen fyysisen ilmiön, nimeltä Big Bang, seurauksena ja on laajentunut siitä lähtien. Universumin evoluutioteorian mukaan kaukaisten galaksien välisten etäisyyksien pitäisi kasvaa ajan myötä ja koko maailmankaikkeuden tulisi täyttyä lämpösäteilyllä, jonka lämpötila on luokkaa 3 K. Nämä teorian ennusteet sopivat erinomaisesti yhteen tähtitieteellisten havaintojen tietojen kanssa. Samaan aikaan arviot osoittavat, että maailmankaikkeuden ikä eli alkuräjähdyksestä kulunut aika on noin 10 miljardia vuotta. Mitä tulee alkuräjähdyksen yksityiskohtiin, tämä ilmiö on huonosti ymmärretty ja alkuräjähdyksen mysteeristä voidaan puhua haasteena. fyysinen tiede yleisesti. On mahdollista, että alkuräjähdyksen mekanismin selitys liittyy uusiin, toistaiseksi tuntemattomiin luonnonlakeihin. Yleisesti hyväksytty moderni näkemys mahdollisesta ratkaisusta alkuräjähdyksen ongelmaan perustuu ajatukseen painovoimateorian ja kvanttimekaniikan yhdistämisestä.

Kvanttigravitaation käsite

Onko mahdollista edes puhua gravitaatiovuorovaikutuksen kvantti-ilmenemismuodoista? Kuten yleisesti uskotaan, kvanttimekaniikan periaatteet ovat universaaleja ja sovellettavissa mihin tahansa fyysiseen kohteeseen. Tässä mielessä gravitaatiokenttä ei ole poikkeus. Teoreettiset tutkimukset osoittavat, että kvanttitasolla gravitaatiovuorovaikutusta kuljettaa alkuainehiukkanen nimeltä graviton. Voidaan todeta, että gravitoni on massaton bosoni, jolla on spin 2. Hiukkasten välinen gravitaatiovuorovaikutus, joka johtuu gravitonin vaihdosta, on perinteisesti kuvattu seuraavasti:

Hiukkanen lähettää gravitonin, jonka seurauksena sen liiketila muuttuu. Toinen hiukkanen absorboi gravitonin ja muuttaa myös sen liikkeen tilaa. Tämän seurauksena hiukkaset ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa.
Kuten olemme jo todenneet, gravitaatiovuorovaikutusta kuvaava kytkentävakio on Newtonin vakio G. Tiedetään hyvin, että G on ulottuvuussuure. On selvää, että vuorovaikutuksen intensiteetin arvioimiseksi on kätevää käyttää dimensiotonta kytkentävakiota. Tällaisen vakion saamiseksi voidaan käyttää perusvakioita: (Planckin vakio) ja c (valon nopeus) - ja ottaa käyttöön jokin vertailumassa, esimerkiksi protonimassa m p . Silloin gravitaatiovuorovaikutuksen dimensioton kytkentävakio on

Gm p 2 /(c) ~ 6 10 -39,

mikä on tietysti hyvin pieni määrä.
On mielenkiintoista huomata, että perusvakioista G, , c on mahdollista muodostaa suureita, joiden mitat ovat pituus, aika, tiheys, massa, energia. Näitä määriä kutsutaan Planckiksi. Erityisesti Planckin pituus l Pl ja Planckin aika t Pl ovat seuraavat:

Jokainen fysikaalinen perusvakio luonnehtii tiettyä fysikaalisten ilmiöiden sarjaa: G - gravitaatioilmiöt, - kvantti, c - relativistiset. Siksi, jos jokin suhde sisältää G, , c samanaikaisesti, tämä tarkoittaa, että tämä suhde kuvaa ilmiötä, joka on samanaikaisesti gravitaatio, kvantti ja relativistinen. Siten Planck-arvojen olemassaolo osoittaa vastaavien ilmiöiden mahdollisen olemassaolon luonnossa.
Tietenkin l Pl:n ja t Pl:n numeeriset arvot ovat hyvin pieniä verrattuna makrokosmoksen suureiden tunnusarvoihin. Mutta tämä tarkoittaa vain sitä, että kvanttigravitaatiovaikutukset ilmenevät heikosti. Ne voivat olla merkittäviä vain, kun ominaisparametrit tulisivat vertailukelpoisiksi Planckin arvojen kanssa.
Mikromaailman ilmiöiden erottuva piirre on se, että fysikaaliset suureet ovat alttiina niin sanotuille kvanttivaihteluille. Tämä tarkoittaa, että useilla mittauksilla fyysinen määrä Tietyssä tilassa periaatteessa tulisi saada erilaisia ​​​​numeerisia arvoja, koska laite on hallitsemattomasti vuorovaikutuksessa havaitun kohteen kanssa. Muista, että painovoima liittyy aika-avaruuden kaarevuuden ilmenemiseen, toisin sanoen aika-avaruuden geometriaan. Siksi on odotettavissa, että kerta-aika-avaruusgeometriasta tulee kvanttiobjekti t Pl:n suuruusluokan aikoina ja l Pl:n etäisyyksillä, ja geometristen ominaisuuksien tulisi kokea kvanttivaihteluja. Toisin sanoen Planckin asteikolla ei ole kiinteää aika-avaruusgeometriaa, vaan kuvainnollisesti aika-avaruus on kuplivaa vaahtoa.
johdonmukainen kvanttiteoria painovoimaa ei ole rakennettu. Äärimmäisen pienistä l Pl , t Pl arvoista johtuen on odotettavissa, että lähitulevaisuudessa ei ole mahdollista suorittaa kokeita, joissa kvanttigravitaatiovaikutukset ilmentyisivät. Siksi kvanttigravitaation kysymysten teoreettinen tutkimus on ainoa tie eteenpäin. Onko kuitenkin olemassa ilmiöitä, joissa kvanttigravitaatio voisi olla merkittävä? Kyllä, niitä on, ja olemme jo puhuneet niistä. Tämä on painovoiman romahdus ja alkuräjähdys. Klassisen painovoimateorian mukaan painovoiman romahtamisen kohteena oleva esine on puristettava mielivaltaisen pieneen kokoon. Tämä tarkoittaa, että sen mitat voivat olla vertailukelpoisia l Pl:n kanssa, jossa klassista teoriaa ei enää voida soveltaa. Samoin alkuräjähdyksen aikana maailmankaikkeuden ikä oli verrattavissa t Pl:ään ja sen mitat olivat luokkaa l Pl. Tämä tarkoittaa, että alkuräjähdyksen fysiikan ymmärtäminen on mahdotonta klassisen teorian puitteissa. Siten gravitaatioromahduksen loppuvaiheen ja universumin evoluution alkuvaiheen kuvaus voidaan suorittaa vain painovoiman kvanttiteorian mukaan.

Heikko vuorovaikutus

Tämä vuorovaikutus on heikoin perusvuorovaikutuksista, joita on kokeellisesti havaittu alkuainehiukkasten hajoamisissa, joissa kvanttivaikutukset ovat perustavanlaatuisesti merkittäviä. Muista, että gravitaatiovuorovaikutuksen kvanttimuotoisia ilmentymiä ei ole koskaan havaittu. Heikko vuorovaikutus erottuu seuraava sääntö: jos alkuainehiukkanen, nimeltään neutrino (tai antineutrino), osallistuu vuorovaikutusprosessiin, tämä vuorovaikutus on heikko.

Tyypillinen esimerkki heikosta vuorovaikutuksesta on neutronin beeta-hajoaminen

N p + e - + e,

missä n on neutroni, p on protoni, e on elektroni, e on elektronin antineutrino. On kuitenkin pidettävä mielessä, että yllä oleva sääntö ei tarkoita ollenkaan sitä, että mihin tahansa heikon vuorovaikutuksen tekoon tulisi liittää neutrino tai antineutrino. Tiedetään, että tapahtuu suuri määrä neutrinoimattomia hajoamisia. Esimerkkinä voidaan huomata lambda-hyperonin hajoaminen protoniksi p ja negatiivisesti varautuneeksi pioniksi π − . Nykyaikaisten käsitteiden mukaan neutroni ja protoni eivät ole todellisia alkuainehiukkasia, vaan ne koostuvat kvarkeiksi kutsutuista alkuainehiukkasista.
Heikon vuorovaikutuksen intensiteettiä kuvaa Fermin kytkentävakio G F . Vakio G F on ulottuvuus. Dimensittömän suuren muodostamiseksi on tarpeen käyttää jotain standardimassaa, esimerkiksi protonimassaa m p . Silloin dimensioton kytkentävakio on

G F m p 2 - 10-5.

Voidaan nähdä, että heikko vuorovaikutus on paljon voimakkaampi kuin gravitaatio.
Heikko vuorovaikutus, toisin kuin gravitaatio, on lyhyen kantaman. Tämä tarkoittaa, että hiukkasten välinen heikko vuorovaikutus tulee voimaan vain, jos hiukkaset ovat riittävän lähellä toisiaan. Jos hiukkasten välinen etäisyys ylittää tietyn arvon, jota kutsutaan vuorovaikutussäteeksi, heikko vuorovaikutus ei ilmene. Kokeellisesti on todettu, että luokkaa 10 -15 cm olevan heikon vuorovaikutuksen ominaissäde eli heikko vuorovaikutus keskittyy atomiytimen kokoa pienemmille etäisyyksille.
Miksi heikosta vuorovaikutuksesta voidaan puhua itsenäisenä perustavanlaatuisen vuorovaikutuksen muotona? Vastaus on yksinkertainen. On todettu, että on olemassa alkuainehiukkasten muunnosprosesseja, joita ei voida pelkistää gravitaatioon, sähkömagneettiseen ja voimakkaaseen vuorovaikutukseen. Hyvä esimerkki siitä, että ydinilmiöissä on kolme laadullisesti erilaista vuorovaikutusta, liittyy radioaktiivisuuteen. Kokeet osoittavat kolmen läsnäolon monenlaisia radioaktiivisuus: -, - ja -radioaktiivinen hajoaminen. Tässä tapauksessa -hajoaminen johtuu voimakkaasta vuorovaikutuksesta, -hajoaminen - sähkömagneettisesta. Jäljellä olevaa -hajoamista ei voida selittää sähkömagneettisella ja vahvalla vuorovaikutuksella, ja meidän on pakko hyväksyä, että on olemassa toinen perustavanlaatuinen vuorovaikutus, jota kutsutaan heikoksi. Yleisesti ottaen heikon vuorovaikutuksen käyttöönoton tarve johtuu siitä, että luonnossa tapahtuu prosesseja, joissa sähkömagneettinen ja voimakas hajoaminen on säilymislakien kiellettyä.
Vaikka heikko vuorovaikutus on olennaisesti keskittynyt ytimen sisään, sillä on tiettyjä makroskooppisia ilmenemismuotoja. Kuten olemme jo todenneet, se liittyy β-radioaktiivisuusprosessiin. Lisäksi heikolla vuorovaikutuksella on tärkeä rooli niin sanotuissa lämpöydinreaktioissa, jotka vastaavat tähtien energian vapautumismekanismista.
Heikon vuorovaikutuksen hämmästyttävin ominaisuus on prosessien olemassaolo, joissa peilin epäsymmetria ilmenee. Ensi silmäyksellä näyttää ilmeiseltä, että ero vasemmiston ja oikeiston käsitteiden välillä on mielivaltainen. Itse asiassa painovoiman, sähkömagneettisen ja voimakkaan vuorovaikutuksen prosessit ovat muuttumattomia suhteessa avaruudelliseen inversioon, joka toteuttaa peiliheijastuksen. Sanotaan, että tällaisissa prosesseissa tilapariteetti P säilyy, mutta kokeellisesti on todettu, että heikot prosessit voivat edetä tilapariteetin säilymättä jättämisessä ja siksi näyttävät tuntevan eron vasemman ja oikean välillä. Tällä hetkellä on olemassa vankkaa kokeellista näyttöä siitä, että pariteetin säilymättömyys heikossa vuorovaikutuksessa on luonteeltaan yleismaailmallista; se ei ilmene vain alkuainehiukkasten hajoamisissa, vaan myös ydin- ja jopa atomiilmiöissä. On tunnustettava, että peilien epäsymmetria on luonnon ominaisuus kaikkein perustavanlaatuisimmalla tasolla.
Pariteetin säilymättömyys heikossa vuorovaikutuksessa näytti tältä epätavallinen omaisuus että lähes välittömästi sen löytämisen jälkeen teoreetikot yrittivät osoittaa, että itse asiassa on olemassa täydellinen symmetria vasemman ja oikean välillä, vain sillä on syvempi merkitys kuin aiemmin luultiin. Peiliheijastukseen on liitettävä hiukkasten korvaaminen antihiukkasilla (varauskonjugaatio C), jolloin kaikkien perusvuorovaikutusten on oltava muuttumattomia. Myöhemmin kuitenkin havaittiin, että tämä muuttumattomuus ei ole universaali. Ns. pitkäikäisten neutraalien kaonien heikot hajoamiset pioneiksi π + , π − , jotka ovat kiellettyjä, jos ilmoitettu invarianssi todella tapahtuu. Siten heikon vuorovaikutuksen erottava ominaisuus on sen CP-invarianssi. On mahdollista, että tämä ominaisuus on vastuussa siitä, että universumin aine hallitsee merkittävästi antihiukkasista rakennettua antimateriaalia. Maailma ja antimaailma eivät ole symmetrisiä.
Kysymys siitä, mitkä hiukkaset ovat heikon vuorovaikutuksen kantajia, oli pitkään epäselvä. Ymmärtäminen saavutettiin suhteellisen äskettäin yhtenäisen sähköheikon vuorovaikutuksen teorian - Weinberg-Salam-Glashow teorian - puitteissa. Nykyään on yleisesti hyväksyttyä, että heikon vuorovaikutuksen kantajia ovat ns. W ± - ja Z 0 -bosonit. Nämä ovat varautuneita W ± ja neutraaleja Z 0 alkuainehiukkasia, joiden spin 1 ja massat ovat suuruusluokkaa 100 m p .

Sähkömagneettinen vuorovaikutus

Kaikki varautuneet kappaleet, kaikki varautuneet alkuainehiukkaset osallistuvat sähkömagneettiseen vuorovaikutukseen. Tässä mielessä se on varsin universaali. klassinen teoria sähkömagneettinen vuorovaikutus on Maxwellin sähködynamiikkaa. Elektronin varaus e otetaan kytkentävakioksi.
Jos tarkastellaan kahta lepopistevarausta q 1 ja q 2, niin niiden sähkömagneettinen vuorovaikutus pienenee tunnetuksi sähköstaattiseksi voimaksi. Tämä tarkoittaa, että vuorovaikutus on pitkän kantaman ja vähenee hitaasti latausten välisen etäisyyden kasvaessa.
Sähkömagneettisen vuorovaikutuksen klassiset ilmenemismuodot ovat hyvin tunnettuja, emmekä käsittele niitä. Kvanttiteorian näkökulmasta sähkömagneettisen vuorovaikutuksen kantaja on alkuainehiukkasten fotoni - massaton bosoni, jonka spin 1. Kvanttisähkömagneettinen vuorovaikutus varausten välillä kuvataan ehdollisesti seuraavasti:

Varautunut hiukkanen lähettää fotonin, jolloin sen liiketila muuttuu. Toinen hiukkanen absorboi tämän fotonin ja muuttaa myös sen liikkeen tilaa. Tämän seurauksena hiukkaset näyttävät tuntevan toistensa läsnäolon. On hyvin tunnettua, että sähkövaraus on mittasuure. On kätevää ottaa käyttöön sähkömagneettisen vuorovaikutuksen dimensioton kytkentävakio. Tätä varten meidän on käytettävä perusvakioita ja c. Tuloksena saadaan seuraava dimensioton kytkentävakio, jota atomifysiikassa kutsutaan hienorakennevakioksi α = e 2 /c ≈1/137.

On helppo nähdä, että tämä vakio ylittää merkittävästi painovoiman ja heikon vuorovaikutuksen vakiot.
Nykyajan näkökulmasta sähkömagneettinen ja heikko vuorovaikutus ovat yksittäisen sähköheikon vuorovaikutuksen eri puolia. Sähköheikosta vuorovaikutuksesta on luotu yhtenäinen teoria - Weinberg-Salam-Glashow teoria, joka selittää yhtenäisestä asemasta kaikki sähkömagneettisen ja heikon vuorovaikutuksen aspektit. Onko mahdollista ymmärtää laadullisella tasolla, kuinka yhtenäinen vuorovaikutus jakautuu erillisiksi, ikään kuin itsenäisiksi vuorovaikutuksiksi?
Niin kauan kuin ominaisenergiat ovat riittävän pieniä, sähkömagneettinen ja heikko vuorovaikutus ovat erillään eivätkä vaikuta toisiinsa. Energian kasvaessa niiden keskinäinen vaikutus alkaa, ja riittävän suurilla energioilla nämä vuorovaikutukset sulautuvat yhdeksi sähköheikoksi vuorovaikutukseksi. Ominaista yhdistämisenergiaa arvioidaan suuruusluokaksi 10 2 GeV (GeV on lyhenne sanoista gigaelektronivoltti, 1 GeV = 10 9 eV, 1 eV = 1,6·10 -12 erg = 1,6·10 19 J). Vertailun vuoksi todetaan, että vetyatomin perustilassa olevan elektronin ominaisenergia on noin 10 -8 GeV, atomin ytimen tunnusomainen sitoutumisenergia on noin 10 -2 GeV, kiinteän aineen tunnusomainen sitoutumisenergia on noin 10-10 GeV. Siten sähkömagneettisten ja heikkojen vuorovaikutusten yhdistämisen ominaisenergia on valtava verrattuna atomi- ja ydinfysiikan ominaisenergioihin. Tästä syystä sähkömagneettiset ja heikot vuorovaikutukset eivät ilmennä yhteistä olemustaan ​​tavallisissa fysikaalisissa ilmiöissä.

Vahva vuorovaikutus

Vahva vuorovaikutus on vastuussa atomiytimien stabiilisuudesta. Koska useimmat atomiytimet kemiallisia alkuaineita vakaa, on selvää, että vuorovaikutuksen, joka estää heitä hajoamasta, on oltava riittävän vahva. On hyvin tunnettua, että ytimet koostuvat protoneista ja neutroneista. Jotta positiivisesti varautuneet protonit eivät hajoaisi eri suuntiin, niiden välillä on oltava houkuttelevia voimia, jotka ylittävät sähköstaattisen hylkimisen voimat. Vahva vuorovaikutus on vastuussa näistä houkuttelevista voimista.
Vahvan vuorovaikutuksen ominaispiirre on sen varausriippumattomuus. Ydinvoimat protonien, neutronien ja protonin ja neutronin välillä ovat olennaisesti samat. Tästä seuraa, että voimakkaan vuorovaikutuksen näkökulmasta protoni ja neutroni ovat erottamattomia ja niille käytetään yhtä termiä nukleoni, eli ytimen hiukkanen.

Voimakkaan vuorovaikutuksen tunnusomaista mittakaavaa voidaan havainnollistaa tarkastelemalla kahta nukleonia levossa. teoria johtaa Mahdollinen energia niiden vuorovaikutus Yukawa-potentiaalin muodossa

jossa arvo r 0 ≈10 -13 cm ja osuu suuruusjärjestyksessä yhteen ytimen ominaiskoon kanssa, g on vahvan vuorovaikutuksen kytkentävakio. Tämä suhde osoittaa, että vahva vuorovaikutus on lyhyen kantaman ja olennaisesti täysin keskittynyt etäisyyksille, jotka eivät ylitä ytimen ominaiskokoa. Jos r > r 0, se käytännössä häviää. Tunnettu makroskooppinen ilmentymä vahvasta vuorovaikutuksesta on -radioaktiivisuusilmiö. On kuitenkin pidettävä mielessä, että Yukawan potentiaali ei ole vahvan vuorovaikutuksen universaali ominaisuus eikä liity sen perusnäkökohtiin.
Tällä hetkellä vahvasta vuorovaikutuksesta on olemassa kvanttiteoria, jota kutsutaan kvanttikromodynamiikaksi. Tämän teorian mukaan vahvan vuorovaikutuksen kantajat ovat alkuainehiukkaset - gluonit. Nykyaikaisten käsitysten mukaan vahvaan vuorovaikutukseen osallistuvat hiukkaset, joita kutsutaan hadroneiksi, koostuvat alkuainehiukkasista - kvarkeista.
Kvarkit ovat fermioneja, joiden spin on 1/2 ja massa nollasta poikkeava. Kvarkkien hämmästyttävin ominaisuus on niiden sähkövaraus. Kvarkit muodostuvat kolmeksi pariksi (kolme duplettien sukupolvea), jotka merkitään seuraavasti:

u	c
d	s	b

Jokaista rahkatyyppiä kutsutaan mausteeksi, joten rahkkimakuja on kuusi. Tässä tapauksessa u-, c-, t-kvarkeilla on sähkövaraus 2/3|e| , ja d-, s-, b-kvarkit - sähkövaraus -1/3|e|, missä e - elektronin varaus. Lisäksi on kolme tämän maun kvarkkia. Ne eroavat kvanttiluvulla, jota kutsutaan väriksi, ja niillä on kolme arvoa: keltainen, sininen, punainen. Jokainen kvarkki vastaa antikvarkkia, jolla on päinvastainen sähkövaraus suhteessa tähän kvarkkiin ja niin kutsuttuun antiväriin: antikeltainen, antisininen, antipunainen. Kun otetaan huomioon makujen ja värien määrä, näemme, että kvarkkeja ja antikvarkeja on yhteensä 36 kappaletta.
Kvarkit ovat vuorovaikutuksessa keskenään vaihtamalla kahdeksan gluonia, jotka ovat massattomia bosoneja, joilla on spin 1. Vuorovaikutuksen aikana kvarkkien värit voivat muuttua. Tässä tapauksessa vahva vuorovaikutus kuvataan perinteisesti seuraavasti:

Hadronin osana oleva kvarkki lähettää gluonia, jonka seurauksena hadronin liiketila muuttuu. Tämä gluoni absorboi kvarkkia, joka on osa toista hadronia ja muuttaa sen liikkeen tilaa. Tämän seurauksena hadronit ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa.
Luonto on järjestetty siten, että kvarkkien vuorovaikutus johtaa aina värittömien sidottujen tilojen muodostumiseen, jotka ovat vain hadroneja. Esimerkiksi protoni ja neutroni koostuvat kolmesta kvarkista: p = uud, n = udd. Pioni π − koostuu kvarkista u ja antikvarkista: π − = u. Gluonien kautta tapahtuvan kvarkki-kvarkkivuorovaikutuksen erottuva piirre on, että kun kvarkkien välinen etäisyys pienenee, niiden vuorovaikutus heikkenee. Tätä ilmiötä kutsutaan asymptoottiseksi vapaudeksi ja se johtaa siihen, että hadronien sisällä olevia kvarkkeja voidaan pitää vapaina hiukkasina. Asymptoottinen vapaus seuraa luonnollisesti kvanttikromodynamiikasta. On olemassa kokeellisia ja teoreettisia viitteitä siitä, että etäisyyden kasvaessa kvarkkien välisen vuorovaikutuksen pitäisi lisääntyä, minkä vuoksi kvarkeille on energisesti edullista olla hadronin sisällä. Tämä tarkoittaa, että voimme tarkkailla vain värittömiä esineitä - hadroneja. Yksittäisiä värillisiä kvarkkeja ja gluoneja ei voi olla vapaassa tilassa. Ilmiötä, jossa alkuainehiukkaset, joiden väri on hadronien sisällä, sulkeutuvat, kutsutaan suljetuksi. Erilaisia ​​malleja on ehdotettu selittämään sulkemista, mutta johdonmukaista kuvausta teorian ensimmäisistä periaatteista ei ole vielä rakennettu. Laadullisesti vaikeudet liittyvät siihen, että gluonit ovat vuorovaikutuksessa kaikkien värillisten esineiden kanssa, mukaan lukien toistensa kanssa. Tästä syystä kvanttikromodynamiikka on pohjimmiltaan epälineaarinen teoria, ja kvanttielektrodynamiikassa ja sähköheikon teoriassa omaksutut likimääräiset tutkimusmenetelmät eivät ole aivan riittäviä vahvojen vuorovaikutusten teoriassa.

Vuorovaikutusyhdistelmätrendit

Näemme, että kvanttitasolla kaikki perusvuorovaikutukset ilmenevät samalla tavalla. Aineen alkuainehiukkanen emittoi alkuainehiukkasen - vuorovaikutuksen kantajaa, jonka aineen toinen alkuainehiukkanen absorboi. Tämä johtaa ainehiukkasten keskinäiseen vaikutukseen toisiinsa.
Vahvan vuorovaikutuksen dimensioton kytkentävakio voidaan konstruoida analogisesti hienorakennevakion kanssa muodossa g2/(c)10. Jos verrataan dimensioimattomia kytkentävakioita, niin on helppo nähdä, että gravitaatiovuorovaikutus on heikoin, ja sitten heikot, sähkömagneettiset ja vahvat sijaitsevat.
Jos otamme huomioon jo kehitetyn yhtenäisen teorian sähköheikoista vuorovaikutuksista, jota nyt kutsutaan standardiksi, ja seuraamme yhtenäistymistrendiä, niin syntyy ongelma yhtenäisen teorian rakentamisesta sähköheikoista ja vahvoista vuorovaikutuksista. Tällä hetkellä tällaisesta yhtenäisestä teoriasta on luotu malleja, joita kutsutaan suureksi yhtenäismalliksi. Kaikilla näillä malleilla on monia yhteisiä kohtia, erityisesti tyypillinen yhdistämisenergia osoittautuu suuruusluokaltaan 10 15 GeV, joka ylittää suuresti sähkömagneettisten ja heikkojen vuorovaikutusten ominaisen yhdistämisenergian. Tästä seuraa, että suora kokeellinen tutkimus suuresta yhdistymisestä näyttää ongelmalliselta jopa melko kaukaisessa tulevaisuudessa. Vertailun vuoksi toteamme, että korkein nykyaikaisilla kiihdyttimillä saavutettava energia ei ylitä 10 3 GeV. Siksi, jos suuresta yhdistämisestä saadaan kokeellisia tietoja, ne voivat olla vain epäsuoria. Erityisesti suuret yhtenäiset mallit ennustavat protonin hajoamisen ja suuren massan magneettisen monopolin olemassaolon. Näiden ennusteiden kokeellinen vahvistus olisi suuri voitto yhdistymispyrkimyksille.
Iso kuva yhden suuren vuorovaikutuksen jako erillisiin vahvoihin, heikkoihin ja sähkömagneettisiin vuorovaikutuksiin on seuraava. Suuruusluokkaa 10 15 GeV ja enemmän olevilla energioilla on yksi vuorovaikutus. Kun energia laskee alle 10 15 GeV, vahva ja sähköheikko vuorovaikutus eroavat toisistaan ​​ja näkyvät erilaisina perusvuorovaikutuksina. Kun energia laskee edelleen alle 10 2 GeV, heikko ja sähkömagneettinen vuorovaikutus erotetaan. Tästä johtuen makroskooppisten ilmiöiden fysiikan energia-asteikolla tarkasteltavat kolme vuorovaikutusta näyttävät siltä, ​​ettei niillä ole yhtä luonnetta.
Huomaa nyt, että 10 15 GeV energia ei ole niin kaukana Planckin energiasta

jolloin kvanttigravitaatiovaikutukset tulevat merkittäviksi. Siksi suuren yhdistämisen teoria johtaa välttämättä kvanttigravitaation ongelmaan. Jos jatkamme yhdistymissuuntauksen seuraamista, meidän on hyväksyttävä ajatus yhden kaiken kattavan perustavanlaatuisen vuorovaikutuksen olemassaolosta, joka jakautuu erilliseen gravitaatioon, vahvaan, heikkoon ja sähkömagneettiseen peräkkäin energian laskeessa Planckin arvosta arvoon. energiat alle 10 2 GeV.
Tällaisen suurenmoisen yhdistävän teorian rakentaminen näyttää olevan mahdotonta sen ideajärjestelmän puitteissa, joka johti sähköheikkojen vuorovaikutusten standarditeoriaan ja suuriin yhdistämismalleihin. Sitä vaaditaan houkuttelemaan uusia, ehkä hullulta näyttäviä ideoita, ideoita, menetelmiä. Huolimatta viime aikoina kehitetyistä erittäin mielenkiintoisista lähestymistavoista, kuten supergravitaatiosta ja merkkijonoteoriasta, kaikkien perustavanlaatuisten vuorovaikutusten yhdistämisen ongelma on edelleen avoin.

Johtopäätös

Olemme siis tehneet katsauksen luonnon neljää perusvuorovaikutusta koskeviin perustietoihin. Näiden vuorovaikutusten mikroskooppiset ja makroskooppiset ilmenemismuodot sekä kuva fysikaalisista ilmiöistä, joissa niillä on tärkeä rooli, kuvataan lyhyesti.
Aina kun mahdollista, yritimme jäljittää yhdistymissuuntausta, huomata perustavanlaatuisten vuorovaikutusten yhteiset piirteet ja antaa tietoa ilmiöiden ominaismitoista. Tässä esitetty materiaali ei tietenkään väitä olevan täydellinen eikä sisällä monia tärkeitä yksityiskohtia järjestelmällistä esittelyä varten. Yksityiskohtainen kuvaus esille ottamistamme kysymyksistä edellyttää nykyaikaisen teoreettisen korkeaenergisen fysiikan koko menetelmäarsenaalin käyttöä, ja se ei kuulu tämän artikkelin, populaaritieteellisen kirjallisuuden, soveltamisalaan. Tavoitteenamme oli esittää yleiskuva nykyaikaisen teoreettisen korkeaenergisen fysiikan saavutuksista, sen kehityksen suuntauksista. Pyrimme herättämään lukijan kiinnostuksen aineiston itsenäiseen, yksityiskohtaisempaan tutkimiseen. Tietenkin tällä lähestymistavalla tietyt karkenemiset ovat väistämättömiä.
Ehdotettu lähdeluettelo antaa valmiimman lukijan syventää ymmärrystään artikkelissa käsitellyistä asioista.

1. Okun L.B. a, b, g, Z. M.: Nauka, 1985.
2. Okun L.B. Alkuainehiukkasten fysiikka. Moskova: Nauka, 1984.
3. Novikov I.D. Kuinka universumi räjähti. Moskova: Nauka, 1988.
4. Friedman D., pakettiauto. Nieuwenhuizen P. // Uspekhi nat. Tieteet. 1979. Vol. 128. No. 135.
5. Hawking S. Alkuräjähdyksestä mustiin aukkoihin: Novelli aika. M.: Mir, 1990.
6. Davis P. Superpower: Yhtenäisen luonnonteorian etsintä. M.: Mir, 1989.
7. Zeldovich Ya.B., Khlopov M.Yu. Ideoiden draama luonnon tuntemisessa. Moskova: Nauka, 1987.
8. Gottfried K., Weisskopf W. Alkuainehiukkasfysiikan käsitteet. M.: Mir, 1988.
9. Coughlan G.D., Dodd J.E. Hiukkasfysiikan ideat. Cambridge: Cambridge Univ. Lehdistö, 1993.