Yksi suurimmat saavutukset fysiikka on viimeisen kahden vuosituhannen aikana ollut neljän universumia hallitsevan vuorovaikutustyypin valinta ja määrittely. Ne kaikki voidaan kuvata kenttien kielellä, jonka olemme velkaa Faradaylle. Valitettavasti millään neljästä tyypistä ei kuitenkaan ole useimmissa kuvattujen voimakenttien kaikkia ominaisuuksia fantastisia teoksia. Listataan nämä vuorovaikutustyypit.

1. Painovoima. Hiljainen voima, joka ei anna jalkojen irtautua tuesta. Se ei anna maan ja tähtien murentua, auttaa säilyttämään eheyden. aurinkokunta ja Galaxy. Ilman painovoimaa planeetan pyöriminen heittäisi meidät pois maasta ja avaruuteen 1000 mailia tunnissa. Ongelmana on, että painovoiman ominaisuudet ovat täsmälleen päinvastaiset kuin fantastisten voimakenttien ominaisuudet. Painovoima on houkutteleva voima, ei hylkivä; hän on äärimmäisen heikko - suhteellisen tietysti; se toimii valtavilla tähtitieteellisillä etäisyyksillä. Toisin sanoen se on lähes täsmälleen vastakohta litteälle, ohuelle, läpäisemättömälle esteelle, joka löytyy melkein mistä tahansa tieteisromaanista tai -elokuvasta. Esimerkiksi koko planeetta - Maa - houkuttelee höyhenen lattiaan, mutta voimme helposti voittaa Maan painovoiman ja nostaa höyhenen yhdellä sormella. Yhden sormemme isku pystyy voittamaan koko planeetan painovoiman, joka painaa yli kuusi biljoonaa kiloa.

2. Sähkömagnetismi (EM). Voima, joka valaisee kaupunkejamme. Laserit, radio, televisio, moderni elektroniikka, tietokoneet, Internet, sähkö, magnetismi - kaikki nämä ovat seurauksia sähkömagneettisen vuorovaikutuksen ilmenemisestä. Ehkä tämä on hyödyllisin voima, jonka ihmiskunta on historiansa aikana onnistunut valjastamaan. Toisin kuin painovoima, se voi toimia sekä vetovoiman että karkotuksen aikaansaamiseksi. Se ei kuitenkaan sovellu voimakentän rooliin useista syistä. Ensinnäkin se voidaan helposti neutraloida. Esimerkiksi muovi tai mikä tahansa muu johtamaton materiaali läpäisee helposti voimakkaan sähkö- tai magneettikentän. Magneettikenttään heitetty muovipala lentää sen läpi vapaasti. Toiseksi sähkömagnetismi toimii suurilla etäisyyksillä, sitä ei ole helppo keskittää tasoon. EM-vuorovaikutuksen lakeja kuvataan James Clerk Maxwellin yhtälöillä, ja näyttää siltä, ​​että voimakentät eivät ole ratkaisu näihin yhtälöihin.

3 ja 4. Vahvat ja heikot ydinvuorovaikutukset. Heikko voima on radioaktiivisen hajoamisen voima, se, joka lämmittää maan radioaktiivisen ytimen. Tämä voima on tulivuorenpurkausten, maanjäristysten ja ajautuvien mannerlaattojen takana. Vahva vuorovaikutus ei salli atomien ytimien murentumista; se antaa energiaa auringolle ja tähdille ja on vastuussa maailmankaikkeuden valaistuksesta. Ongelmana on, että ydinvoima toimii vain hyvin pienillä etäisyyksillä, enimmäkseen atomiytimen sisällä. Se liittyy niin vahvasti itse ytimen ominaisuuksiin, että sitä on erittäin vaikea hallita. Tällä hetkellä tiedämme vain kaksi tapaa vaikuttaa tähän vuorovaikutukseen: voimme hajottaa subatomisen hiukkasen kiihdytin tai räjäyttää atomipommin.

Vaikka tieteiskirjallisuuden suojakentät eivät tottele tunnettuja fysiikan lakeja, on porsaanreikiä, jotka tulevaisuudessa todennäköisesti mahdollistavat voimakentän luomisen. Ensinnäkin on ehkä viidennen tyyppinen perustavanlaatuinen vuorovaikutus, jota kukaan ei ole vielä pystynyt näkemään laboratoriossa. Saattaa esimerkiksi käydä ilmi, että tämä vuorovaikutus toimii vain muutaman tuuman ja jalan etäisyyksillä - ei tähtitieteellisillä etäisyyksillä. (Totta, ensimmäiset yritykset havaita viidennen tyyppinen vuorovaikutus tuottivat negatiivisia tuloksia.)

Toiseksi voimme ehkä saada plasman matkimaan joitain voimakentän ominaisuuksia. Plasma on "aineen neljäs tila". Ensimmäiset kolme meille tuttua aineen tilaa ovat kiinteä, nestemäinen ja kaasumainen; Siitä huolimatta maailmankaikkeuden yleisin aineen muoto on plasma: ionisoiduista atomeista koostuva kaasu. Plasman atomit eivät ole sitoutuneet toisiinsa ja niissä ei ole elektroneja, joten niillä on sähkövaraus. Niitä voidaan helposti ohjata sähkö- ja magneettikentillä.

Universumin näkyvä aine on olemassa suurimmaksi osaksi erilaisten plasman muodossa; siitä muodostuu aurinko, tähdet ja tähtienvälinen kaasu. SISÄÄN tavallinen elämä emme melkein koskaan kohtaa plasmaa, koska maapallolla tämä ilmiö on harvinainen; plasmaa voidaan kuitenkin nähdä. Voit tehdä tämän katsomalla salamaa, aurinkoa tai plasmatelevision näyttöä.

Maailmamme rakenteen määrääviä fyysisiä vuorovaikutuksia on neljä: vahva, heikko, sähkömagneettinen ja gravitaatio.

1. Vahvoja vuorovaikutuksia tapahtuu tasolla atomiytimet ja edustavat keskinäisten osien keskinäistä vetovoimaa. Ne vaikuttavat noin 10 -13 cm:n etäisyyksillä Yksi voimakkaan vuorovaikutuksen ilmenemismuoto on ydinvoimat. E. Rutherford löysi vahvoja vuorovaikutuksia vuonna 1911 samanaikaisesti atomiytimen löytämisen kanssa. Vahvan vuorovaikutuksen kantajat ovat gluonit. Ydinvoimat eivät riipu hiukkasten varauksesta. Vahvissa vuorovaikutuksissa varauksen suuruus säilyy.

2. Sähkömagneettinen vuorovaikutus 100-1000 kertaa heikompi
vahva vuorovaikutus, mutta enemmän pitkän kantaman. ominaisuus sähköisesti varautuneille hiukkasille. Sähkömagneettisen vuorovaikutuksen kantajalla ei ole varausta fotoni on sähkömagneettisen kentän kvantti. Sähkömagneettisen vuorovaikutuksen prosessissa elektronit ja atomiytimet yhdistetään atomeiksi, atomit molekyyleiksi. Sähkömagneettinen vuorovaikutus liittyy sähkö- ja magneettikenttiin. Sähkökenttä syntyy, kun on sähkövarauksia, ja magneettikenttä syntyy, kun ne liikkuvat. Aineen erilaiset aggregaattitilat, kitkailmiö, kimmoisuus ja muut aineen ominaisuudet määräytyvät pääasiassa molekyylien välisen vuorovaikutuksen voimien avulla, jotka luonteeltaan ovat sähkömagneettisia. Sähkömagneettista vuorovaikutusta kuvaavat sähköstaattisen ja sähködynamiikan peruslait: Coulombin laki, Ampèren laki jne. yleinen kuvaus antaa Maxwellin sähkömagneettisen teorian, joka perustuu sähkö- ja magneettikenttiä koskeviin perusyhtälöihin.

3. Heikko vuorovaikutus heikompi kuin sähkömagneettinen. Sen vaikutussäde on 10 -15 - 10 -22 cm Heikko vuorovaikutus liittyy hiukkasten hajoamiseen, esimerkiksi ytimessä tapahtuviin protonin muuttumiseen neutroniksi, positroniksi ja neutriinoksi. Säteilevällä neutrinolla on valtava tunkeutumiskyky - se kulkee miljardin kilometrin paksuisen rautalevyn läpi. Heikoilla vuorovaikutuksilla hiukkasten varaus muuttuu. Heikko vuorovaikutus ei ole kontaktivuorovaikutusta, vaan se tapahtuu välivaiheen raskaiden hiukkasten vaihdolla - bosonit.

4. Gravitaatiovuorovaikutus ominaisuus kaikille aineellisille esineille niiden luonteesta riippumatta. Se koostuu ruumiiden keskinäisestä vetovoimasta ja sen määrää peruslaki painovoima: kahden pistekappaleen välillä on vetovoima, joka on suoraan verrannollinen niiden massojen tuloon ja kääntäen verrannollinen niiden välisen etäisyyden neliöön. Gravitaatiovuorovaikutus määrää kappaleiden putoamisen Maan vetovoiman kentässä. Universaalin gravitaatiolaki kuvaa esimerkiksi aurinkokunnan planeettojen ja erilaisten makroobjektien liikettä. Oletetaan, että gravitaatiovuorovaikutus johtuu joistakin alkuainehiukkasista - gravitonit, jonka olemassaoloa ei ole vielä kokeellisesti vahvistettu.

Gravitaatiovuorovaikutus on monta kertaa heikompi kuin sähkömagneettinen. Sitä ei teoriassa oteta huomioon. alkuainehiukkasia, koska niille tyypillisillä 10 -13 cm:n etäisyyksillä se antaa erittäin pieniä vaikutuksia. Kuitenkin ultrapienillä etäisyyksillä (10-33 cm) ja erittäin suurilla energioilla painovoima tulee jälleen välttämättömäksi. Superraskaat virtuaalihiukkaset luovat ympärilleen huomattavan gravitaatiokentän, joka vääristää avaruuden geometriaa. Kosmisessa mittakaavassa gravitaatiovuorovaikutus on ratkaisevan tärkeää. Sen valikoimaa ei ole rajoitettu.

Aika, jonka aikana alkuainehiukkasten muunnos tapahtuu, riippuu vuorovaikutusvoimasta. Voimakkaisiin vuorovaikutuksiin liittyvät ydinreaktiot tapahtuvat 10 -24 - 10 -23 sekunnissa. Tämä on suunnilleen lyhin aikaväli, jonka aikana suuriin energioihin, lähellä valonnopeutta kiihtynyt hiukkanen kulkee noin 10 -13 cm kooltaan alkuainehiukkasen läpi. Sähkömagneettisista vuorovaikutuksista johtuvat muutokset tapahtuvat 10-19 - 10 -21 s ja heikot (esimerkiksi alkuainehiukkasten hajoaminen) - pääasiassa 10 -10 s.

Kaikki neljä vuorovaikutusta ovat välttämättömiä ja riittäviä monimuotoisen maailman rakentamiseksi. Ilman vahvoja vuorovaikutuksia atomiytimiä ei olisi olemassa. Ilman sähkömagneettista vuorovaikutusta ei olisi atomeja, ei molekyylejä, ei makroskooppisia esineitä, samoin kuin lämpöä ja valoa. Ilman heikkoja vuorovaikutuksia se ei olisi mahdollista ydinreaktiot Auringon ja tähtien syvyyksissä ei olisi supernovaepidemiaa eivätkä elämän välttämättömät raskaat alkuaineet leviäisi universumissa. Ilman gravitaatiovuorovaikutusta ei vain olisi galakseja, tähtiä, planeettoja, vaan koko maailmankaikkeus ei voisi kehittyä, koska painovoima on yhdistävä tekijä, joka varmistaa koko maailmankaikkeuden ja sen kehityksen yhtenäisyyden.

Moderni fysiikka on tullut siihen tulokseen, että kaikki neljä perusvuorovaikutusta, jotka ovat välttämättömiä monimutkaisen ja monimuotoisen aineellisen maailman luomiseksi alkuainehiukkasista, voidaan saada yhdestä perusvuorovaikutuksesta - supervoimasta. Silmiinpistävin saavutus oli todiste siitä, että erittäin korkeissa lämpötiloissa (tai energioissa) kaikki neljä vuorovaikutusta yhdistyvät yhdeksi. 100 GeV:n energialla sähkömagneettinen ja heikko vuorovaikutus yhdistyvät. Tämä lämpötila vastaa maailmankaikkeuden lämpötilaa 10-10 s alkuräjähdyksen jälkeen. 10 15 GeV energialla niihin liittyy vahva vuorovaikutus, ja 10 19 GeV energialla kaikki neljä vuorovaikutusta yhdistyvät.

Tämä oletus on puhtaasti teoreettinen, koska sitä ei voida varmistaa kokeellisesti. Epäsuorasti nämä ajatukset vahvistavat astrofysikaaliset tiedot, joita voidaan pitää universumin keräämänä kokeellisena materiaalina.

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 muodossa elektromagneettiset aallot. 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.

Vuorovaikutuskyky on aineen tärkein ja luovuttamaton ominaisuus. Vuorovaikutus varmistaa mega-, makro- ja mikromaailman erilaisten materiaalisten esineiden yhdistämisen järjestelmiksi. Kaikki tiedossa moderni tiede Voimat pelkistyvät neljään vuorovaikutustyyppiin, joita kutsutaan perustavanlaatuisiksi: gravitaatio, sähkömagneettinen, heikko ja vahva.

Gravitaatiovuorovaikutus siitä tuli ensimmäisen kerran fysiikan tutkimuskohde 1600-luvulla. I. Newtonin painovoimateoria, joka perustuu universaalin painovoiman lakiin, on tullut yhdeksi klassisen mekaniikan komponenteista. Universaalin painovoiman laki sanoo: kahden kappaleen välillä on vetovoima, joka on suoraan verrannollinen niiden massojen tuloon ja kääntäen verrannollinen niiden välisen etäisyyden neliöön (2.3). Mikä tahansa materiaalihiukkanen on gravitaatiovaikutuksen lähde ja kokee sen itsestään. Massan kasvaessa gravitaatiovuorovaikutukset lisääntyvät, eli mitä suurempi vuorovaikutuksessa olevien aineiden massa on, sitä voimakkaammin painovoimat vaikuttavat. Painovoimat ovat vetovoimat. SISÄÄN Viime aikoina fyysikot ehdottavat gravitaatiorepulsion olemassaoloa, joka vaikutti maailmankaikkeuden olemassaolon ensimmäisinä hetkinä (4.2), mutta tätä ajatusta ei ole vielä vahvistettu. Gravitaatiovuorovaikutus on heikoin tällä hetkellä tunnetuista. Painovoima vaikuttaa erittäin suurilla etäisyyksillä, sen intensiteetti pienenee etäisyyden kasvaessa, mutta ei katoa kokonaan. Uskotaan, että gravitaatiovuorovaikutuksen kantaja on hypoteettinen gravitonihiukkanen. Mikromaailmassa gravitaatiovuorovaikutuksella ei ole merkittävää roolia, mutta makro- ja erityisesti megaprosesseissa sillä on johtava rooli.

Sähkömagneettinen vuorovaikutus siitä tuli fysiikan tutkimuskohde 1800-luvulla. Ensimmäinen yhtenäinen teoria sähkömagneettisesta kentästä oli J. Maxwellin käsite (2.3). Toisin kuin gravitaatiovoima, sähkömagneettista vuorovaikutusta esiintyy vain varautuneiden hiukkasten välillä: sähkökenttä on kahden varautuneen hiukkasen välillä levossa, magneettikenttä on kahden liikkuvan varautuneen hiukkasen välillä. Sähkömagneettiset voimat voivat olla sekä houkuttelevia että hylkiviä voimia. Samalla tavalla varautuneet hiukkaset hylkivät toisiaan ja vastakkaisesti varautuneet hiukkaset vetävät puoleensa. Tämän tyyppisen vuorovaikutuksen kantajia ovat fotonit. Sähkömagneettinen vuorovaikutus ilmenee mikro-, makro- ja megamaailmassa.

XX vuosisadan puolivälissä. luotiin kvanttielektrodynamiikkaa- sähkömagneettisen vuorovaikutuksen teoria, joka täytti perusperiaatteet kvanttiteoria ja suhteellisuusteoria. Vuonna 1965 sen kirjoittajat S. Tomanaga, R. Feynman ja J. Schwinger saivat Nobel-palkinnon. Kvanttielektrodynamiikka kuvaa varautuneiden hiukkasten - elektronien ja positronien - vuorovaikutusta.

Heikko vuorovaikutus löydettiin vasta 1900-luvulla, 1960-luvulla. rakennettu yleinen teoria heikko vuorovaikutus. Heikko vuorovaikutus liittyy hiukkasten hajoamiseen, joten sen löytäminen seurasi vasta radioaktiivisuuden löytämisen jälkeen. Tarkasteltaessa hiukkasten radioaktiivista hajoamista havaittiin ilmiöitä, jotka näyttävät olevan ristiriidassa energian säilymisen lain kanssa. Tosiasia on, että hajoamisprosessissa osa energiasta "kadosi". Fyysikko V. Pauli ehdotti, että aineen radioaktiivisessa hajoamisprosessissa elektronin mukana vapautuu hiukkanen, jolla on korkea tunkeutumiskyky. Tämä hiukkanen nimettiin myöhemmin "neutriinoksi". Kävi ilmi, että heikkojen vuorovaikutusten seurauksena atomiytimen muodostavat neutronit hajoavat kolmen tyyppisiksi hiukkasiksi: positiivisesti varautuneiksi protoneiksi, negatiivisesti varautuneiksi elektroneiksi ja neutraaleiksi neutriinoiksi. Heikko vuorovaikutus on paljon pienempi kuin sähkömagneettinen, mutta enemmän kuin gravitaatio, ja toisin kuin he, se leviää pienillä etäisyyksillä - enintään 10-22 cm. Tästä syystä heikkoa vuorovaikutusta ei havaittu kokeellisesti pitkään aikaan. Heikon vuorovaikutuksen kantajia ovat bosonit.

1970-luvulla loi yleisen teorian sähkömagneettisista ja heikoista vuorovaikutuksista, ns sähköheikon vuorovaikutuksen teoria. Sen luojat S. Weinberg, A. Salam ja S. Glashow saivat vuonna 1979 Nobel palkinto. Sähköheikon vuorovaikutuksen teoria pitää kahden tyyppisiä perusvuorovaikutuksia yhden, syvemmän ilmentymänä. Joten yli 10-17 cm etäisyyksillä ilmiöiden sähkömagneettinen puoli vallitsee, pienemmillä etäisyyksillä sekä sähkömagneettinen että heikko puoli ovat yhtä tärkeitä. Käsiteltävän teorian luominen tarkoitti, että sähkö, magnetismi ja valo yhdistyivät 1800-luvun klassisessa fysiikassa Faraday-Maxwellin teorian puitteissa 1900-luvun viimeisellä kolmanneksella. täydennettynä heikon vuorovaikutuksen ilmiöllä.

Vahva vuorovaikutus myös löydettiin vasta 1900-luvulla. Se pitää protonit atomin ytimessä estäen niitä lentämästä erilleen sähkömagneettisten hylkimisvoimien vaikutuksesta. Vahva vuorovaikutus tapahtuu enintään 10-13 cm:n etäisyyksillä ja on vastuussa ytimien stabiilisuudesta. Jaksollisen järjestelmän lopussa olevien alkuaineiden ytimet ovat epävakaita, koska niiden säde on suuri ja vastaavasti vahva vuorovaikutus menettää intensiteettinsä. Tällaiset ytimet ovat alttiina hajoamiselle, jota kutsutaan radioaktiiviseksi. Voimakas voima on vastuussa atomiytimien muodostumisesta, siihen osallistuvat vain raskaat hiukkaset: protonit ja neutronit. Ydinvuorovaikutukset eivät riipu hiukkasten varauksesta, vaan tällaisten vuorovaikutusten kantajia ovat gluonit. Gluonit yhdistyvät gluonikenttään (analogisesti sähkömagneettisen kanssa), minkä ansiosta voimakas vuorovaikutus tapahtuu. Voimaltaan vahva vuorovaikutus ylittää muut tunnetut ja on valtavan energian lähde. Auringon ja muiden tähtien lämpöydinreaktiot ovat esimerkki vahvasta vuorovaikutuksesta. Vetyaseiden luomisessa käytettiin vahvan vuorovaikutuksen periaatetta.

Vahvan vuorovaikutuksen teoria on ns kvanttikromodynamiikka. Tämän teorian mukaan vahva vuorovaikutus on seurausta gluonien vaihdosta, jonka seurauksena hadroneissa olevat kvarkit sitoutuvat. Kvanttikromodynamiikka kehittyy edelleen, ja vaikka sitä ei vielä voida pitää täydellisenä vahvan vuorovaikutuksen käsitteenä, tällä fysikaalisella teorialla on kuitenkin vankka kokeellinen perusta.

Moderni fysiikka etsii edelleen yhtenäistä teoriaa, joka selittäisi kaikki neljä perusvuorovaikutustyyppiä. Tällaisen teorian luominen merkitsisi myös yhtenäisen alkeishiukkasten käsitteen rakentamista. Tätä hanketta kutsuttiin "Suureksi Unioniksi". Perusta vakaumukselle tällaisen teorian mahdollisuudesta on se, että lyhyillä etäisyyksillä (alle 10-29 cm) ja suurella energialla (yli 1014 GeV) sähkömagneettinen, vahva ja heikkoja vuorovaikutuksia kuvataan samalla tavalla, mikä tarkoittaa niiden luonteen yhteistä. Tämä johtopäätös on kuitenkin toistaiseksi vain teoreettinen, eikä sitä ole vielä voitu varmistaa kokeellisesti.

Useat kilpailevat Grand Unification -teoriat tulkitsevat kosmologiaa (4.2) eri tavoin. Esimerkiksi oletetaan, että universumimme syntyhetkellä oli olosuhteita, joissa kaikki neljä perustavanlaatuisia vuorovaikutuksia ilmestyi samalla tavalla. Kaikkia neljää vuorovaikutustyyppiä yhtenäiseltä pohjalta selittävän teorian luominen edellyttää kvarkkiteorian, kvanttikromodynamiikan, modernin kosmologian ja relativistisen tähtitieteen synteesiä.

Neljän perusvuorovaikutuksen yhtenäisen teorian etsiminen ei kuitenkaan tarkoita, että muut aineen tulkinnat olisivat mahdottomia: uusien vuorovaikutusten löytäminen, uusien alkuainehiukkasten etsiminen jne. Jotkut fyysikot kyseenalaistavat yhtenäisen teorian mahdollisuuden. Joten synergiikan luojat I. Prigogine ja I. Stengers kirjassa "Aika, kaaos, kvantti" kirjoittavat: "toivo sellaisen" kaiken teorian rakentamiselle, josta voisi Täysi kuvaus fyysinen todellisuus, täytyy jättää”, ja perustelevat väitöskirjansa synergiikan (7.2) puitteissa muotoilluilla laeilla.

Tärkeä rooli alkuainehiukkasten vuorovaikutusmekanismien, niiden muodostumisen ja hajoamisen ymmärtämisessä oli säilymislailla. Makromaailmassa toimivien säilymislakien (energian säilymislaki, liikemäärän säilymislaki ja liikemäärän säilymislaki) lisäksi mikrokosmoksen fysiikasta löydettiin uusia: säilymislaki. baryonista, lepton-latauksista, outoudesta jne.

Jokainen säilymislaki liittyy jonkinlaiseen symmetriaan ympäröivässä maailmassa. Fysiikassa symmetria ymmärretään invarianssina, järjestelmän invarianssina suhteessa sen muunnoksiin eli useiden fysikaalisten olosuhteiden muutoksiin. Saksalainen matemaatikko Emma Noether loi yhteyden tilan ja ajan ominaisuuksien ja klassisen fysiikan säilymislakien välille. Matemaattisen fysiikan peruslause, jota kutsutaan Noetherin lauseeksi, väittää, että liikemäärän säilymislaki seuraa avaruuden homogeenisuudesta, energian säilymislaki seuraa ajan homogeenisuudesta ja liikemäärän säilymislaki seuraa tilan homogeenisuudesta. avaruuden isotropia. Nämä lait ovat perustavanlaatuisia ja päteviä kaikilla aineen olemassaolon tasoilla.

Energian säilymisen ja muuntamisen laki sanoo, että energia ei katoa eikä esiinny uudelleen, vaan vain siirtyy muodosta toiseen. Liikemäärän säilymislaki olettaa suljetun järjestelmän liikemäärän muuttumattomuuden ajan kuluessa. Liikemäärän säilymislaki sanoo, että suljetun järjestelmän liikemäärä pysyy muuttumattomana ajan kuluessa. Säilyvyyslait ovat seurausta symmetriasta eli invarianssista, aineellisten esineiden rakenteen muuttumattomuudesta suhteessa muunnoksiin tai niiden olemassaolon fyysisten olosuhteiden muutoksiin.

Fysiikka

• Käännös

Artikkelin kirjoittaja on Don Lincoln, LHC Fermilabin laboratorion vanhempi tutkija, joka työskentelee Yhdysvaltain energiaministeriön alaisuudessa. Hän kirjoitti äskettäin kirjan The Large Hadron Collider: The Strange History of the Higgs Boson and Other Things That Will Blow You Away.

Tieteellä on monimutkainen suhde Internetiin: tiede etenee tarkasti ja huolellisesti arvioimalla tietoja ja teoriaa, ja tämä prosessi voi kestää vuosia. Ja Internetissä yleisön keskittymiskyky muistuttaa Disney-kala Dorya sarjakuvasta "Finding Nemo" (Ja nyt "Finding Dory") - tässä on meemi, tässä on kuva tähdestä ... Voi, katso - hauska kissa ...

Siksi vakavasta tieteestä kiinnostuneiden ihmisten tulisi olla varovaisia ​​Internetiin julkaistujen tietojen suhteen, jotka väittävät olevansa sellaisia tieteellinen tutkimus joka muuttaa radikaalisti tieteen paradigmaa. Tuore esimerkki on paperi, joka väittää viidennen perusvoiman mahdollisen löytämisen. Jos näin olisi, meidän olisi kirjoitettava oppikirjoja uudelleen.

Fyysikkona haluan valaista tätä väitettä kurinalaisesti tieteellisesti.

Viides vuorovaikutus

Mitä siis väitetään?

ArXiville 7. huhtikuuta 2015 lähetetyssä artikkelissa ryhmä unkarilaisia ​​tutkijoita kuvaili tutkimusta intensiivisen protonisäteen käyttäytymisestä ohuissa litiumkohteissa. Havaitut törmäykset synnyttivät kiihtyneitä beryllium-8-ytimiä, jotka hajosivat tavallisiksi beryllium-8- ja elektroni-positronipareiksi.

He totesivat, että heidän saamiaan tietoja ei voitu selittää tunnetuilla fyysisiä ilmiöitä standardimallissa, joka hallitsee modernia hiukkasfysiikkaa. Mutta näiden tietojen selittäminen oli mahdollista toistaiseksi tuntemattoman hiukkasen olemassaololla, jonka massa on 17 miljoonaa eV, joka on 32,7 kertaa raskaampi kuin elektroni tai 2% protonin massasta. Hiukkaset, jotka esiintyvät sellaisilla energioilla, jotka ovat nykyaikaisten standardien mukaan melko alhaisia, ovat hyvin tutkittuja. Ja olisi aivan odottamatonta, jos sieltä löydettäisiin uusi.

Mittaukset kuitenkin siirrettiin asiantuntija-arvio ja julkaistiin 26. tammikuuta 2016 Physical Review Lettersissä, joka on yksi maailman arvostetuimmista fysiikan aikakauslehdistä. Tässä julkaisussa tutkijat ja heidän tutkimuksensa voittivat vaikuttavan esteen.

Tämä mittaus jäi huomaamatta, kunnes Kalifornian yliopiston Irvinen (UCI) teoreettisten fyysikkojen ryhmä huomasi sen. Ja kuten teoreetikot yleensä tekevät kiistanalaisten fysikaalisten mittausten kanssa, ryhmä vertasi niitä olemassa olevaan työhön, joka on kerätty viimeisen sadan vuoden aikana nähdäkseen, vastaavatko uudet tiedot jo kerättyä tietoa. Tässä tapauksessa he vertasivat tusinaan julkaistuun tutkimukseen.

He havaitsivat, että vaikka mittaukset eivät olleet ristiriidassa aikaisempien tutkimusten kanssa, niissä oli jotain, mitä ei ollut ennen nähty – ja jotain, jota ei voitu selittää standardimallilla.

Uusi teoreettinen alusta

Ymmärtääkseen unkarilaisia ​​mittauksia tämä UCI:n teoreetikkoryhmä keksi uuden teorian.

Tämä teoria on hyvin eksoottinen. He aloittivat sillä järkevällä oletuksella, että uutta mahdollista hiukkasta ei selitetty olemassa olevalla teorialla. Tämä on järkevää, koska mahdollisella uudella hiukkasella on pieni massa, ja jos se olisi kuvattu tunnetuilla fysiikan laeilla, se olisi löydetty aikaisemmin. Jos tämä hiukkanen noudattaa uusia fysiikan lakeja, saattaa olla olemassa uusi vuorovaikutus. Koska fyysikot perinteisesti puhuvat neljästä tunnetusta perusvoimasta (painovoima, sähkömagnetismi, vahva ja heikko), tätä uutta hypoteettista voimaa on kutsuttu "viidenneksi".

Viidennen vuorovaikutuksen teorioiden ja löytöjen historia on varsin monipuolinen, se ulottuu useita vuosikymmeniä, ja sen puitteissa syntyi uusia ulottuvuuksia ja ideoita, jotka katoavat myöhemmin. Toisaalta on mysteereitä, joita tavallinen fysiikka ei selitä - esimerkiksi pimeä aine. Vaikka pimeää ainetta on aina mallinnettu sellaiseksi ainoa muoto vakaa massiivinen hiukkanen, joka kokee painovoimaa eikä muita tunnettuja voimia, ei ole mitään syytä, miksi pimeä aine ei osallistuisi vuorovaikutukseen, jota normaali aine ei. Loppujen lopuksi tavallinen aine osallistuu vuorovaikutuksiin, joihin pimeä aine ei osallistu, joten tässä ei ole mitään typerää.

On monia ajatuksia vuorovaikutuksista, jotka vaikuttavat vain pimeään aineeseen, ja niitä kaikkia kutsutaan yleisesti " monimutkainen pimeä aine". Yksi tunnetuista ideoista puhuu tumman fotonin olemassaolosta, joka on vuorovaikutuksessa vain pimeän aineen kuljettaman tumman varauksen kanssa. Tämä hiukkanen on tumma analogi tavallisesta aineen fotonista, joka on vuorovaikutuksessa meille tunteman sähkövarauksen kanssa, mutta Yksi poikkeus: jotkin monimutkaisen pimeän aineen teoriat antavat tummille fotoneille massaa, toisin kuin tavallisilla fotoneilla.

Jos tummia fotoneja on olemassa, ne voivat sitoutua tavalliseen aineeseen (ja tavallisiin fotoniin) ja hajota elektroni-positronipareiksi, joita ryhmä unkarilaisia ​​tutkijoita tutki. Koska tummat fotonit eivät ole vuorovaikutuksessa tavallisen sähkövarauksen kanssa, tämä yhteys voi syntyä vain kvanttimekaniikan omituisuuksien vuoksi. Mutta jos tutkijat ovat alkaneet havaita elektroni-positroniparien lisääntymistä, tämä voi tarkoittaa, että he tarkkailevat tummia fotoneja.

Irvine-ryhmä löysi mallin, jossa oli "protofobinen" hiukkanen, jota varhaiset mittaukset eivät sulkeneet pois ja joka voisi selittää Unkarin tuloksen. "Protofobiset", toisin sanoen "protoneja välttävät" hiukkaset ovat harvoin tai melkein koskaan vuorovaikutuksessa protonien kanssa, mutta voivat olla vuorovaikutuksessa neutronien (neutrofiilien) kanssa.

Irvine-ryhmän ehdottama hiukkanen osallistuu viidenteen, tuntemattomaan vuorovaikutukseen, joka esiintyy 12 femtometrin etäisyydellä eli 12 kertaa protonin koon etäisyydellä. Hiukkanen on protofobinen ja neutrofiilinen. Hiukkasen massa on 17 miljoonaa eV ja se voi hajota elektroni-positronipareiksi. Unkarilaisen kokeen selittämisen lisäksi tällainen hiukkanen voisi myös selittää joitain muissa kokeissa havaittuja epäjohdonmukaisuuksia. Jälkimmäinen lisää painoarvoa tälle ajatukselle.

Paradigmaa muuttava vuorovaikutus?

Sillä tavalla se on.

Mikä voisi olla totta? Data on kaikki kaikessa. Muutosten vahvistamiseksi tai kumoamiseksi tarvitaan muita kokeita. Kaikella muulla ei ole väliä. Mutta tämä kestää noin vuoden, ja olisi mukavaa saada ideoita tänä aikana. Paras tapa Löydön todennäköisyyden arvioiminen on tutkimus kokeeseen osallistuneiden tutkijoiden maineesta. Tämä on tietysti mautonta tapa tehdä tiedettä, mutta se voi heikentää odotuksiasi.

Aloitetaan Irvine-ryhmästä. Monet heistä (etenkin johtajat) ovat alan tunnettuja ja vakiintuneita asiantuntijoita, ja heillä on hyvää työtä. Ryhmän ikäero on erilainen, mukana on sekä iäkkäitä että nuoria jäseniä. Tunnen osan heistä henkilökohtaisesti, kaksi heistä luki teoreettiset osat kirjoittamani kirjan luvuista varmistaakseen, etten sanonut hölynpölyä (Muuten, he eivät löytäneet virheitä, mutta he auttoivat selventämään joitain kohtia). Tämä selittää kunnioitukseni Irvine-ryhmän jäseniä kohtaan, vaikka se saattaakin tehdä minusta puolueellisen. Olen melko varma, että heidän työnsä uuden mallin vertaamisessa olemassa olevaan dataan oli perusteellista ja ammattimaista. He löysivät pienen ja tutkimattoman alueen mahdollisia teorioita.

Toisaalta teoria itsessään on melko spekulatiivinen ja epätodennäköinen. Tämä ei ole lause - tämä voidaan sanoa kaikista teorioista. Loppujen lopuksi hiukkasfysiikkaa hallitseva standardimalli on tunnettu 50 vuotta ja sitä on tutkittu hyvin. Lisäksi kaikki uudet teoriat ovat spekulatiivisia ja epätodennäköisiä, ja useimmat niistä ovat vääriä. Tämäkään ei ole tuomio. On monia tapoja lisätä korjauksia olemassa oleviin teorioihin uusien ilmiöiden selittämiseksi. Ja kaikki eivät voi olla oikeassa. Ja joskus mikään ehdotetuista teorioista ei ole oikea.

Se voidaan kuitenkin päätellä heidän keksimäänsä ryhmän jäsenten maineesta uusi idea ja vertasi sitä kaikkiin asiaankuuluviin tietoihin. Se, että he julkaisivat mallinsa, tarkoittaa, että se läpäisi heidän testinsä ja pysyi uskottavana, joskin epätodennäköisenä, mahdollisuutena.

Entä unkarilainen ryhmä? En tunne ketään heistä henkilökohtaisesti, mutta artikkeli julkaistiin Physical Review Lettersissä - tämä on jo plussa heille. Ryhmä on kuitenkin julkaissut kaksi aikaisempaa artikkelia, joissa on havaittu samanlaisia ​​poikkeavuuksia, mukaan lukien mahdollinen 12 miljoonan eV hiukkanen ja 14 miljoonan eV hiukkanen. Molemmat teokset kumottiin muilla kokeilla.

Unkarilainen ryhmä ei myöskään koskaan selittänyt, mikä aiheutti virheet kumottuissa papereissa. Toinen herätys on, että ryhmä julkaisee harvoin tietoja, jotka eivät sisällä poikkeavuuksia. Tämä on epätodennäköistä. Tutkimusurani aikana suurin osa julkaisuista on vahvistanut olemassa olevia teorioita. Toistuvat poikkeavuudet ovat erittäin harvinaisia.

Joten mikä on lopputulos? Pitäisikö meidän iloita uudesta mahdollisesta löydöstä? Tietysti mahdolliset löydöt ovat aina mielenkiintoisia. Standardimalli on kestänyt 50 vuoden kokeen, mutta siinä on myös selittämättömiä mysteereitä, ja tiedeyhteisö etsii jatkuvasti uusia ja todistamattomia teorioita osoittavia löytöjä. Mutta mikä on todennäköisyys, että tämä mittaus ja teoria saa tiedeyhteisön hyväksymään viidennen voiman, jonka kantama on 12 fm, ja protoneja välttävän hiukkasen olemassaolon? Minusta vaikuttaa siltä, ​​että mahdollisuudet ovat pienet. En ole optimistinen idean suhteen.

Tietysti mielipide on vain mielipide, vaikka se olisikin tietoa. Myös muissa kokeissa etsitään tummia fotoneja, koska vaikka unkarilaiset mittaukset epäonnistuisivatkin, pimeän aineen ongelma on edelleen olemassa. Monissa kokeissa tummien fotonien etsimiseksi tutkitaan samaa parametriavaruutta (energia-, massa- ja vaimenemistilat), jossa unkarilaisten tutkijoiden mukaan poikkeama löydettiin. Pian, vuoden sisällä, tiedämme, oliko tämä poikkeama löytö vai jokin muu häiriö, joka hetkellisesti kiihotti yhteisöä, mutta se hylätään, kun tarkempia tietoja on saatu saataville. Mutta riippumatta siitä, miten se päättyy, se johtaa silti parempaan tieteeseen.

Tunnisteet:

• viides vuorovaikutus
• viides voima
• kvanttifysiikkaa
• standardi malli

Lisää tageja