În viața de zi cu zi, întâlnim o varietate de forțe care decurg din ciocnirea corpurilor, frecarea, explozia, tensiunea unui fir, compresia unui arc etc. Cu toate acestea, toate aceste forțe sunt rezultatul interacțiunii electromagnetice a atomilor între ei. Teoria interacțiunii electromagnetice a fost creată de Maxwell în 1863.

O altă interacțiune cunoscută de mult timp este interacțiunea gravitațională dintre corpuri cu masă. În 1915, Einstein a creat teoria generală a relativității, care a legat câmpul gravitațional de curbura spațiului-timp.

În anii 1930 S-a descoperit că nucleii atomilor constau din nucleoni și nici interacțiunile electromagnetice și nici gravitaționale nu pot explica ce ține nucleonii în nucleu. Interacțiunea puternică a fost propusă pentru a descrie interacțiunea nucleonilor într-un nucleu.

Pe măsură ce am continuat să studiem microlumea, s-a dovedit că unele fenomene nu sunt descrise de cele trei tipuri de interacțiune. Prin urmare, interacțiunea slabă a fost propusă pentru a descrie dezintegrarea neutronului și alte procese similare.

Astăzi toate forțele cunoscute în natură sunt produsul a patru interacțiuni fundamentale , care poate fi aranjat în ordinea descrescătoare a intensității în următoarea ordine:

• 1) interacțiune puternică;
• 2) interacțiune electromagnetică;
• 3) interacțiune slabă;
• 4) interacțiune gravitațională.

Interacțiunile fundamentale sunt purtate de particule elementare - purtătoare de interacțiuni fundamentale. Aceste particule sunt numite bozoni de măsurare. Procesul interacțiunilor fundamentale ale corpurilor poate fi reprezentat astfel. Fiecare corp emite particule - purtători de interacțiuni, care sunt absorbite de un alt corp. În acest caz, corpurile experimentează influența reciprocă.

Interacțiune puternică poate apărea între protoni, neutroni și alți hadroni (vezi mai jos). Are rază scurtă de acțiune și se caracterizează printr-o rază de acțiune a forțelor de ordinul 10 15 m. Purtătorul de interacțiune puternică între hadroni este bujori, iar durata interacțiunii este de aproximativ 10 23 s.

Interacțiune electromagnetică are patru ordine de mărime o intensitate mai mică în comparație cu interacțiunea puternică. Are loc între particulele încărcate. Interacțiunea electromagnetică are acțiune lungă și se caracterizează printr-o rază infinită de acțiune a forțelor. Purtătorul interacțiunii electromagnetice este fotonii, iar durata interacțiunii este de aproximativ 10–20 s.

Interacțiune slabă are o intensitate cu 20 de ordine de mărime mai mică în comparație cu interacțiunea puternică. Poate apărea între hadroni și leptoni (vezi mai jos). Leptonii includ, în special, electronul și neutrino. Un exemplu de interacțiune slabă este dezintegrarea p neutronilor discutată mai sus. Interacțiunea slabă este cu rază scurtă și se caracterizează printr-o rază de acțiune a forțelor de ordinul 10 18 m. Purtătorul interacțiunii slabe este bozoni vectoriali, iar durata interacțiunii este de aproximativ 10 10 s.

Interacțiune gravitațională are o intensitate cu 40 de ordine de mărime mai mică în comparație cu interacțiunea puternică. Are loc între toate particulele. Interacțiunea gravitațională are acțiune lungă și se caracterizează printr-o rază infinită de acțiune a forțelor. Purtătorul interacțiunii gravitaționale poate fi gravitonii. Aceste particule nu au fost încă găsite, ceea ce se poate datora intensității scăzute a interacțiunii gravitaționale. Este, de asemenea, legat de faptul că din cauza micii maselor particule elementare Această interacțiune nu este semnificativă în procesele de fizică nucleară.

În 1967, A. Salam și S. Weinberg au propus teoria interacțiunii electro-slabe, care combina interacțiuni electromagnetice și slabe. În 1973, a fost creată teoria interacțiunii puternice cromodinamica cuantică. Toate acestea au făcut posibilă crearea model standard particule elementare, care descriu interacțiuni electromagnetice, slabe și puternice. Toate cele trei tipuri de interacțiuni luate în considerare aici apar ca o consecință a postulatului că lumea noastră este simetrică în raport cu trei tipuri de transformări de gabarit.

Multă vreme, omul a căutat să cunoască și să înțeleagă lumea fizică din jurul său. Se dovedește că toată varietatea infinită de procese fizice care au loc în lumea noastră poate fi explicată prin existența în natură a unui număr foarte mic de interacțiuni fundamentale. Interacțiunea lor între ele explică aranjarea ordonată a corpurilor cerești din Univers. Ele sunt „elementele” care mișcă corpurile cerești, generează lumină și fac viața însăși posibilă (vezi. Aplicație ).
Astfel, toate procesele și fenomenele din natură, fie că este vorba despre o cădere de măr, o explozie de supernovă, un salt de pinguin sau dezintegrarea radioactivă a substanțelor, apar ca urmare a acestor interacțiuni.
Structura substanței acestor corpuri este stabilă datorită legăturilor dintre particulele sale constitutive.

1. TIPURI DE INTERACȚIUNI

În ciuda faptului că materia conține un număr mare de particule elementare, există doar patru tipuri de interacțiuni fundamentale între ele: gravitaționale, slabe, electromagnetice și puternice.
Cel mai cuprinzător este gravitațională interacţiune . Toate interacțiunile materiale, fără excepție, sunt supuse acesteia - atât microparticule, cât și macrocorpi. Aceasta înseamnă că toate particulele elementare participă la el. Apare sub formă gravitația universală. Gravitatie (din latină Gravitas - greutate) controlează cele mai globale procese din Univers, în special, asigură structura și stabilitatea sistemului nostru solar. Conform conceptelor moderne, fiecare dintre interacțiuni apare ca urmare a schimbului de particule numite purtători ai acestei interacțiuni. Interacțiunea gravitațională se realizează prin schimb gravitonii .
, ca și gravitația, este de natură cu rază lungă de acțiune: forțele corespunzătoare se pot manifesta la distanțe foarte semnificative. Interacțiunea electromagnetică este descrisă de sarcini de un singur tip (electrice), dar aceste sarcini pot avea deja două semne - pozitiv și negativ. Spre deosebire de gravitație, forțele electromagnetice pot fi atât forțe atractive, cât și de respingere. Fizice și Proprietăți chimice a diferitelor substanțe, materiale și țesutul viu însuși sunt determinate de această interacțiune. De asemenea, alimentează toate echipamentele electrice și electronice, de ex. conectează doar particulele încărcate între ele. Teoria interacțiunii electromagnetice în macrocosmos se numește electrodinamică clasică.
Interacțiune slabă mai puțin cunoscut în afara unui cerc restrâns de fizicieni și astronomi, dar acest lucru nu îi scade semnificația. Este suficient să spunem că dacă nu ar fi acolo, Soarele și alte stele s-ar stinge, pentru că în reacțiile care le asigură strălucirea, interacțiunea slabă joacă un rol foarte important. rol important. Interacțiunea slabă este cu rază scurtă: raza sa este de aproximativ 1000 de ori mai mică decât cea a forțelor nucleare.
Interacțiune puternică – cel mai puternic dintre toate celelalte. Definește conexiunile numai între hadroni. Forțele nucleare care acționează între nucleonii dintr-un nucleu atomic sunt o manifestare a acestui tip de interacțiune. Este de aproximativ 100 de ori mai puternic decât energia electromagnetică. Spre deosebire de acesta din urmă (și de asemenea gravitațional), este, în primul rând, cu rază scurtă de acțiune la o distanță mai mare de 10–15 m (de ordinul mărimii nucleului), forțele corespunzătoare dintre protoni și neutroni, în scădere bruscă, încetează. să le lege unul de altul. În al doilea rând, poate fi descris satisfăcător doar prin intermediul a trei încărcături (culori) care formează combinații complexe.
Tabelul 1 prezintă în general cele mai importante particule elementare aparținând principalelor grupe (hadroni, leptoni, purtători de interacțiune).

tabelul 1

Participarea particulelor elementare de bază la interacțiuni

Cea mai importantă caracteristică a unei interacțiuni fundamentale este domeniul său de acțiune. Raza de acțiune este distanța maximă dintre particule, dincolo de care interacțiunea lor poate fi neglijată (Masa 2). La o rază mică se numește interacțiunea cu acţiune scurtă , cu mare – raza lunga .

masa 2

Principalele caracteristici ale interacțiunilor fundamentale

Interacțiunile puternice și slabe sunt pe distanță scurtă . Intensitatea lor scade rapid odată cu creșterea distanței dintre particule. Astfel de interacțiuni apar la o distanță scurtă, inaccesibile percepției simțurilor. Din acest motiv, aceste interacțiuni au fost descoperite mai târziu decât altele (abia în secolul al XX-lea) folosind configurații experimentale complexe. Interacțiunile electromagnetice și gravitaționale sunt pe distanță lungă . Astfel de interacțiuni scad lent odată cu creșterea distanței dintre particule și nu au un interval finit de acțiune.

2. INTERACȚIUNEA CA O CONEXIUNE A STRUCTURILOR MATERIEI

În nucleul atomic, legătura dintre protoni și neutroni determină interacțiune puternică . Oferă o rezistență excepțională a miezului, care stă la baza stabilității substanței în condiții terestre.

Interacțiune slabă de un milion de ori mai puțin intens decât puternic. Acționează între majoritatea particulelor elementare situate la o distanță mai mică de 10–17 m una de alta.Interacțiunea slabă determină dezintegrarea radioactivă a uraniului și reacțiile de fuziune termonucleară în Soare. După cum știți, radiația Soarelui este principala sursă de viață pe Pământ.

Interacțiune electromagnetică , fiind cu rază lungă de acțiune, determină structura materiei dincolo de intervalul interacțiunii puternice. Forța electromagnetică leagă electronii și nucleii din atomi și molecule. Combină atomi și molecule în diferite substanțe și determină procese chimice și biologice. Această interacțiune este caracterizată de forțe de elasticitate, frecare, vâscozitate și forțe magnetice. În special, respingerea electromagnetică a moleculelor situate la distanțe scurte provoacă o forță de reacție a solului, în urma căreia noi, de exemplu, nu cădem prin podea. Interacțiunea electromagnetică nu are un efect semnificativ asupra mișcării reciproce a corpurilor macroscopice masa mare, deoarece fiecare corp este neutru din punct de vedere electric, adică. conţine aproximativ acelasi numar sarcini pozitive și negative.

Interacțiune gravitațională direct proporțional cu masa corpurilor care interacționează. Datorită masei mici de particule elementare, interacțiunea gravitațională dintre particule este mică în comparație cu alte tipuri de interacțiune, prin urmare, în procesele microlumii, această interacțiune este nesemnificativă. Pe măsură ce masa corpurilor care interacționează crește (adică, pe măsură ce crește numărul de particule pe care le conțin), interacțiunea gravitațională dintre corpuri crește direct proporțional cu masa lor. În acest sens, în macrocosmos, când se ia în considerare mișcarea planetelor, stelelor, galaxiilor, precum și a mișcării micilor corpuri macroscopice în câmpurile lor, interacțiunea gravitațională devine decisivă. Ea ține atmosfera, mările și tot ce este viu și neviu pe Pământ, Pământul rotindu-se pe orbită în jurul Soarelui, Soarele în galaxie. Interacțiunea gravitațională joacă un rol major în formarea și evoluția stelelor. Interacțiunile fundamentale ale particulelor elementare sunt descrise folosind diagrame speciale, în care o particulă reală corespunde unei linii drepte, iar interacțiunea ei cu o altă particulă este reprezentată fie printr-o linie punctată, fie printr-o curbă (Fig. 1).

Diagrame de interacțiuni ale particulelor elementare

Conceptele fizice moderne ale interacțiunilor fundamentale sunt în mod constant rafinate. În 1967 Sheldon Glashow, Abdus SalamȘi Steven Weinberg a creat o teorie conform căreia interacțiunile electromagnetice și slabe sunt o manifestare a unei singure interacțiuni electroslabe. Dacă distanța de la o particulă elementară este mai mică decât raza de acțiune a forțelor slabe (10-17 m), atunci diferența dintre interacțiunile electromagnetice și cele slabe dispare. Astfel, numărul interacțiunilor fundamentale a fost redus la trei.

Teoria „Mării Uniri”.
Unii fizicieni, în special G. Georgi și S. Glashow, au sugerat că în timpul tranziției la energii mai înalte ar trebui să se producă o altă fuziune - unificarea interacțiunii electroslabe cu cea puternică. Schemele teoretice corespunzătoare sunt numite Teoria „Marea Unificare”. Și această teorie este în prezent testată experimental. Conform acestei teorii, care combină interacțiunile puternice, slabe și electromagnetice, există doar două tipuri de interacțiuni: unificate și gravitaționale. Este posibil ca toate cele patru interacțiuni să fie doar manifestări parțiale ale unei singure interacțiuni. Premisele unor astfel de presupuneri sunt luate în considerare atunci când discutăm despre teoria originii Universului (teoria Big Bang-ului). Teoria Big Bang explică modul în care combinația dintre materie și energie a creat stele și galaxii.

Pentru a înțelege dacă merită să continuați să scrieți scurte schițe care explică literalmente diferite fenomene și procese fizice. Rezultatul mi-a spulberat îndoielile. Voi continua. Dar pentru a aborda fenomene destul de complexe, va trebui să faci serii secvențiale separate de postări. Deci, pentru a ajunge la povestea despre structura și evoluția Soarelui și a altor tipuri de stele, va trebui să începeți cu o descriere a tipurilor de interacțiune dintre particulele elementare. Să începem cu asta. Fara formule.
În total, în fizică sunt cunoscute patru tipuri de interacțiuni. Toată lumea este bine cunoscută gravitaționalăȘi electromagnetic. Și aproape necunoscut publicului larg puternicȘi slab. Să le descriem secvenţial.
Interacțiune gravitațională . Oamenii o cunosc din cele mai vechi timpuri. Pentru că se află în mod constant în câmpul gravitațional al Pământului. Și din fizica școlară știm că forța de interacțiune gravitațională dintre corpuri este proporțională cu produsul maselor lor și invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele. Sub influența forței gravitaționale, Luna se învârte în jurul Pământului, Pământul și alte planete se învârt în jurul Soarelui, iar acesta din urmă, împreună cu alte stele, se învârte în jurul centrului Galaxiei noastre.
Scăderea destul de lentă a forței interacțiunii gravitaționale cu distanța (invers proporțională cu pătratul distanței) îi obligă pe fizicieni să vorbească despre această interacțiune ca raza lunga. În plus, forțele de interacțiune gravitațională care acționează între corpuri sunt doar forțe de atracție.
Interacțiune electromagnetică . În cel mai simplu caz de interacțiune electrostatică, așa cum știm din fizica școlii, forța de atracție sau de repulsie dintre particulele încărcate electric este proporțională cu produsul sarcinilor lor electrice și invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele. Ceea ce este foarte asemănător cu legea interacțiunii gravitaționale. Singura diferență este că sarcinile electrice cu aceleași semne se resping, iar cele cu semne diferite se atrag. Prin urmare, interacțiunea electromagnetică, ca și interacțiunea gravitațională, este numită de fizicieni raza lunga.
În același timp, interacțiunea electromagnetică este mai complexă decât interacțiunea gravitațională. Din fizica școlară știm că câmpul electric este creat de sarcini electrice, sarcinile magnetice nu există în natură, iar câmpul magnetic este creat de curenții electrici.
De fapt, câmpul electric poate fi creat și prin modificarea în timp camp magnetic, iar câmpul magnetic este un câmp electric care variază în timp. Această din urmă împrejurare face posibil ca câmpul electromagnetic să existe fără încărcături și curenți electrici. Și această posibilitate se realizează sub formă de unde electromagnetice. De exemplu, unde radio și cuante de lumină.
Deoarece forțele electrice și gravitaționale depind în mod egal de distanță, este firesc să încercăm să le comparăm intensitățile. Astfel, pentru doi protoni, forțele de atracție gravitațională se dovedesc a fi de 10 până la a 36-a putere de ori (de un miliard de miliarde de miliarde de miliarde de ori) mai slabe decât forțele de repulsie electrostatică. Prin urmare, în fizica microlumilor, interacțiunea gravitațională poate fi neglijată în mod destul de rezonabil.
Interacțiune puternică . Acest - rază scurtă putere. În sensul că acţionează la distanţe de doar aproximativ un femtometru (o trilionime dintr-un milimetru), iar la distanţe mari influenţa lor nu se simte practic. Mai mult, la distanțe de ordinul unui femtometru, interacțiunea puternică este de aproximativ o sută de ori mai intensă decât cea electromagnetică.
Acesta este motivul pentru care protonii la fel de încărcați electric din nucleul atomic nu sunt respinși unul de celălalt prin forțe electrostatice, ci sunt ținuți împreună prin interacțiuni puternice. Deoarece dimensiunile unui proton și ale unui neutron sunt de aproximativ un femtometru.
Interacțiune slabă . Este într-adevăr foarte slab. În primul rând, funcționează la distanțe de o mie de ori mai mici decât un femtometru. Și la distanțe mari practic nu se simte. Prin urmare, ca și cel puternic, aparține clasei rază scurtă. În al doilea rând, intensitatea sa este de aproximativ o sută de miliarde de ori mai mică decât intensitatea interacțiunii electromagnetice. Forța slabă este responsabilă pentru unele dezintegrari ale particulelor elementare. Inclusiv neutronii liberi.
Există un singur tip de particule care interacționează cu materia doar printr-o interacțiune slabă. Acesta este un neutrin. Aproape o sută de miliarde de neutrini solari trec prin fiecare centimetru pătrat al pielii noastre în fiecare secundă. Și nu le observăm deloc. În sensul că în timpul vieții noastre, este puțin probabil ca câțiva neutrini să interacționeze cu materia corpului nostru.
Nu vom vorbi despre teorii care descriu toate aceste tipuri de interacțiuni. Pentru că ceea ce este important pentru noi este o imagine de înaltă calitate a lumii, și nu deliciile teoreticienilor.

În ce diverse substanțe ah conține destul de multe particule elementare, fundamentale interacțiuni fizice sunt reprezentate de patru tipuri: puternice, electromagnetice, slabe și gravitaționale. Acesta din urmă este considerat cel mai cuprinzător.

Toate macrocorpurile și microparticulele, fără excepție, sunt supuse gravitației. Absolut toate particulele elementare sunt supuse influenței gravitaționale. Se manifestă sub forma gravitației universale. Această interacțiune fundamentală controlează cele mai globale procese care au loc în Univers. Gravitația asigură stabilitatea structurală a sistemului solar.

Conform conceptelor moderne, interacțiunile fundamentale apar din cauza schimbului de particule. Gravitația se formează prin schimbul de gravitoni.

Interacțiunile fundamentale - gravitaționale și electromagnetice - sunt de natură cu rază lungă. Forțele corespunzătoare se pot manifesta pe distanțe considerabile. Aceste interacțiuni fundamentale au propriile lor caracteristici.

Descris de sarcini de același tip (electrice). În acest caz, sarcinile pot avea atât pozitive, cât și semn negativ. Forțele electromagnetice, spre deosebire de (gravitație), pot acționa ca forțe de respingere și de atractivitate. Această interacțiune provoacă substanțe chimice și proprietăți fizice diverse substanțe, materiale, țesut viu. Forțele electromagnetice conduc atât echipamentele electronice, cât și cele electrice, conectând particulele încărcate între ele.

Interacțiunile fundamentale sunt cunoscute dincolo de un cerc restrâns de astronomi și fizicieni grade diferite.

În ciuda faptului că sunt mai puțin cunoscute (comparativ cu alte tipuri), forțele slabe joacă un rol important în viața Universului. Deci, dacă nu ar exista o interacțiune slabă, stelele și Soarele s-ar stinge. Aceste forțe sunt cu rază scurtă de acțiune. Raza este de aproximativ o mie de ori mai mică decât cea a forțelor nucleare.

Forțele nucleare sunt considerate cele mai puternice dintre toate. Interacțiunea puternică determină legăturile doar între hadroni. Forțele nucleare care acționează între nucleoni sunt manifestarea acestuia. de aproximativ o sută de ori mai puternic decât electromagnetic. Diferit de gravitațional (ca, de fapt, de electromagnetic), este cu rază scurtă de acțiune la o distanță mai mare de 10-15 m. În plus, poate fi descris folosind trei sarcini care formează combinații complexe.

Gama este considerată cea mai importantă caracteristică a interacțiunii fundamentale. Raza de acțiune este distanța maximă care se formează între particule. În afară de aceasta, interacțiunea poate fi neglijată. O rază mică caracterizează forța ca rază scurtă, o rază mare ca rază lungă.

După cum sa menționat mai sus, interacțiunile slabe și puternice sunt considerate pe rază scurtă. Intensitatea lor scade destul de repede pe măsură ce distanța dintre particule crește. Aceste interacțiuni se manifestă la distanțe mici inaccesibile percepției prin simțuri. În acest sens, aceste forțe au fost descoperite mult mai târziu decât celelalte (abia în secolul al XX-lea). În acest caz, au fost utilizate configurații experimentale destul de complexe. Tipurile gravitaționale și electromagnetice de interacțiuni fundamentale sunt considerate cu rază lungă. Ele se caracterizează printr-o scădere lentă pe măsură ce distanța dintre particule crește și nu sunt înzestrate cu o gamă finită de acțiune.

Realizările moderne în fizica energiilor înalte întăresc tot mai mult ideea că diversitatea proprietăților naturii se datorează interacțiunii particulelor elementare. Este aparent imposibil să oferim o definiție informală a unei particule elementare, deoarece vorbim despre cele mai primare elemente ale materiei. La nivel calitativ, putem spune că particulele cu adevărat elementare sunt obiecte fizice care nu au părți componente.
Este evident că problema naturii elementare a obiectelor fizice este în primul rând o întrebare experimentală. De exemplu, s-a stabilit experimental că moleculele, atomii, nuclee atomice au o structură internă care indică prezența părților constitutive. Prin urmare, nu pot fi considerate particule elementare. Mai recent, s-a descoperit că particulele precum mezonii și barionii au, de asemenea, o structură internă și, prin urmare, nu sunt elementare. În același timp, structura internă a electronului nu a fost niciodată observată și, prin urmare, poate fi clasificată ca o particulă elementară. Un alt exemplu de particulă elementară este un cuantum de lumină - un foton.
Datele experimentale moderne indică faptul că există doar patru tipuri de interacțiuni calitativ diferite la care participă particulele elementare. Aceste interacțiuni se numesc fundamentale, adică cele mai elementare, inițiale, primare. Dacă luăm în considerare toată diversitatea proprietăților Lumii din jurul nostru, atunci pare absolut surprinzător că în Natură există doar patru interacțiuni fundamentale responsabile pentru toate fenomenele naturale.
Pe lângă diferențele calitative, interacțiunile fundamentale diferă cantitativ prin puterea impactului lor, care se caracterizează prin termenul intensitate. Pe măsură ce intensitatea crește, interacțiunile fundamentale sunt dispuse în următoarea ordine: gravitaționale, slabe, electromagnetice și puternice. Fiecare dintre aceste interacțiuni este caracterizată de un parametru corespunzător numit constantă de cuplare, a cărui valoare numerică determină intensitatea interacțiunii.
Cum efectuează obiectele fizice interacțiuni fundamentale între ele? La nivel calitativ, răspunsul la această întrebare este următorul. Interacțiunile fundamentale sunt purtate de cuante. Mai mult, în domeniul cuantic, interacțiunilor fundamentale corespund particulelor elementare corespunzătoare, numite particule elementare - purtători de interacțiuni. În procesul de interacțiune, un obiect fizic emite particule - purtători de interacțiune, care sunt absorbite de un alt obiect fizic. Acest lucru duce la faptul că obiectele par să se simtă reciproc, energia lor, natura mișcării, schimbarea stării, adică experimentează influența reciprocă.
În fizica modernă a energiei înalte, ideea de a unifica interacțiunile fundamentale devine din ce în ce mai importantă. Conform ideilor de unificare, în Natură există o singură interacțiune fundamentală, care se manifestă în situatii specifice ca gravitaționale, sau ca slabe, sau ca electromagnetice, sau la fel de puternice, sau ca o combinație a acestora. Implementarea cu succes a ideilor de unificare a fost crearea teoriei unificate standard a electromagnetice și interacțiuni slabe. Se lucrează pentru dezvoltarea unei teorii unificate a interacțiunilor electromagnetice, slabe și puternice, numită teoria marii unificări. Se încearcă găsirea unui principiu pentru unificarea tuturor celor patru interacțiuni fundamentale. Vom lua în considerare secvenţial principalele manifestări ale interacţiunilor fundamentale.

Interacțiune gravitațională

Această interacțiune este universală în natură, toate tipurile de materie, toate obiectele naturale, toate particulele elementare participă la ea! Teoria clasică (non-cuantică) general acceptată a interacțiunii gravitaționale este teoria generală a relativității a lui Einstein. Gravitația determină mișcarea planetelor în interior sisteme stelare, joacă un rol important în procesele care au loc în stele, controlează evoluția Universului, iar în condiții terestre se manifestă ca o forță de atracție reciprocă. Desigur, am enumerat doar un număr mic de exemple din lista uriașă a efectelor gravitației.
Conform teorie generală relativitatea, gravitația este legată de curbura spațiului-timp și este descrisă în termenii așa-numitei geometrii riemanniane. În prezent, toate datele experimentale și observaționale despre gravitație se încadrează în cadrul teoriei generale a relativității. Cu toate acestea, datele despre câmpurile gravitaționale puternice lipsesc în esență, așa că aspectele experimentale ale acestei teorii conțin multe întrebări. Această situație dă naștere apariției diferitelor teorii alternative ale gravitației, ale căror predicții sunt practic imposibil de distins de predicțiile teoriei generale a relativității pentru efectele fizice în sistem solar, dar conduc la alte consecințe în câmpurile gravitaționale puternice.
Dacă neglijăm toate efectele relativiste și ne limităm la câmpuri gravitaționale staționare slabe, atunci teoria generală a relativității se reduce la teoria newtoniană a gravitației universale. În acest caz, după cum se știe, energia potențială de interacțiune a două particule punctiforme cu mase m 1 și m 2 este dată de relația

unde r este distanța dintre particule, G este constanta gravitațională newtoniană, care joacă rolul unei constante de interacțiune gravitațională. Această relație arată că energia potențială de interacțiune V(r) este diferită de zero pentru orice r finit și scade la zero foarte lent. Din acest motiv, se spune că interacțiunea gravitațională este pe distanță lungă.
Dintre multele predicții fizice ale teoriei generale a relativității, notăm trei. S-a stabilit teoretic că perturbațiile gravitaționale se pot propaga în spațiu sub formă de unde numite unde gravitaționale. Propagarea perturbațiilor gravitaționale slabe sunt similare în multe privințe undele electromagnetice. Viteza lor este egală cu viteza luminii, au două stări de polarizare și se caracterizează prin fenomene de interferență și difracție. Cu toate acestea, din cauza interacțiunii extrem de slabe a undelor gravitaționale cu materia, observarea lor experimentală directă nu a fost încă posibilă. Cu toate acestea, datele din unele observații astronomice privind pierderea de energie în sistemele de stele duble indică posibila existență a undelor gravitaționale în natură.
Un studiu teoretic al condițiilor de echilibru ale stelelor în cadrul teoriei generale a relativității arată că, în anumite condiții, stelele suficient de masive pot începe să se prăbușească catastrofal. Acest lucru se dovedește a fi posibil în stadiile destul de târzii ale evoluției stelei, când presiunea internă cauzată de procesele responsabile pentru luminozitatea stelei nu este capabilă să echilibreze presiunea forțelor gravitaționale care tind să comprime steaua. Ca urmare, procesul de compresie nu poate fi oprit de nimic. Fenomenul fizic descris, prezis teoretic în cadrul teoriei generale a relativității, se numește colaps gravitațional. Studiile au arătat că dacă raza unei stele devine mai mică decât așa-numita rază gravitațională

Rg = 2GM/c2,

unde M este masa stelei și c este viteza luminii, apoi pentru un observator extern steaua se stinge. Nicio informație despre procesele care au loc în această stea nu poate ajunge la un observator extern. În acest caz, corpurile care cad pe o stea traversează liber raza gravitațională. Dacă un observator este înțeles ca un astfel de corp, atunci nu va observa altceva decât o creștere a gravitației. Astfel, există o regiune a spațiului în care se poate intra, dar din care nu poate ieși nimic, inclusiv un fascicul de lumină. O astfel de regiune a spațiului se numește gaură neagră. Existența găurilor negre este una dintre predicțiile teoretice ale teoriei generale a relativității; unele teorii alternative ale gravitației sunt construite tocmai în așa fel încât să interzică acest tip de fenomen. În acest sens, problema realității găurilor negre are exclusiv important. În prezent, există date observaționale care indică prezența găurilor negre în Univers.
În cadrul teoriei generale a relativității, a fost posibilă pentru prima dată formularea problemei evoluției Universului. Astfel, Universul în ansamblu devine nu un subiect de speculație speculativă, ci un obiect al științei fizice. Ramura fizicii care se ocupă de Universul ca întreg se numește cosmologie. Acum se consideră că trăim într-un univers în expansiune.
Pictura modernă Evoluția universului se bazează pe ideea că universul, inclusiv atributele sale precum spațiul și timpul, au apărut ca urmare a unui fenomen fizic special numit Big Bang și s-a extins de atunci. Conform teoriei evoluției Universului, distanțele dintre galaxiile îndepărtate ar trebui să crească în timp, iar întregul Univers ar trebui să fie umplut cu radiații termice cu o temperatură de aproximativ 3 K. Aceste predicții ale teoriei sunt în acord excelent cu cele astronomice. date observaționale. Mai mult, estimările arată că vârsta Universului, adică timpul care a trecut de la Big Bang, este de aproximativ 10 miliarde de ani. În ceea ce privește detaliile Big Bang-ului, acest fenomen a fost slab studiat și putem vorbi despre misterul Big Bang-ului ca o provocare pentru știința fizică în ansamblu. Este posibil ca explicația mecanismului Big Bang să fie asociată cu noi legi, încă necunoscute, ale Naturii. Viziunea modernă general acceptată a unei posibile soluții la problema Big Bang se bazează pe ideea de a combina teoria gravitației și mecanica cuantică.

Conceptul de gravitație cuantică

Este chiar posibil să vorbim despre manifestări cuantice ale interacțiunii gravitaționale? După cum se crede în mod obișnuit, principiile mecanicii cuantice sunt universale și se aplică oricărui obiect fizic. În acest sens, câmpul gravitațional nu face excepție. Studiile teoretice arată că, la nivel cuantic, interacțiunea gravitațională este purtată de o particulă elementară numită graviton. Se poate observa că gravitonul este un boson fără masă cu spin 2. Interacțiunea gravitațională dintre particule cauzată de schimbul gravitonului este descrisă în mod convențional după cum urmează:

Particula emite un graviton, determinând schimbarea stării sale de mișcare. O altă particulă absoarbe gravitonul și, de asemenea, își schimbă starea mișcării. Ca rezultat, particulele interacționează între ele.
După cum am observat deja, constanta de cuplare care caracterizează interacțiunea gravitațională este constanta newtoniană G. Este bine cunoscut faptul că G este o mărime dimensională. Evident, pentru a estima intensitatea interacțiunii este convenabil să existe o constantă de cuplare adimensională. Pentru a obține o astfel de constantă, puteți folosi constantele fundamentale: (constanta lui Planck) și c (viteza luminii) - și introduceți o masă de referință, de exemplu masa protonilor m p. Atunci constanta de cuplare adimensională a interacțiunii gravitaționale va fi

Gm p 2 /(c) ~ 6.10 -39,

care, desigur, este o valoare foarte mică.
Este interesant de observat că din constantele fundamentale G, , c se pot construi mărimi care au dimensiunile lungimii, timpului, densității, masei și energiei. Aceste cantități se numesc cantități Planck. În special, lungimea Planck l Pl și timpul Planck t Pl arată astfel:

Fiecare constantă fizică fundamentală caracterizează un anumit cerc fenomene fizice: G - fenomene gravitaţionale, - cuantice, c - relativiste. Prin urmare, dacă o relație include simultan G, , c, atunci aceasta înseamnă că această relație descrie un fenomen care este simultan gravitațional, cuantic și relativist. Astfel, existența cantităților Planck indică existența posibilă a fenomenelor corespunzătoare în Natură.
Desigur, valorile numerice ale lui l Pl și t Pl sunt foarte mici în comparație cu valorile caracteristice ale cantităților din macrocosmos. Dar asta înseamnă doar că efectele cuantice-gravitaționale se manifestă slab. Ele ar putea fi semnificative numai atunci când parametrii caracteristici au devenit comparabili cu valorile Planck.
O trăsătură distinctivă a fenomenelor microlumii este faptul că mărimile fizice sunt supuse așa-numitelor fluctuații cuantice. Aceasta înseamnă că cu măsurători repetate cantitate fizicaîntr-o anumită stare, în principiu, ar trebui să se obțină diferite valori numerice din cauza interacțiunii necontrolate a dispozitivului cu obiectul observat. Să ne amintim că gravitația este asociată cu manifestarea curburii spațiu-timpului, adică cu geometria spațiului-timp. Prin urmare, ar trebui de așteptat ca la momente de ordinul lui t Pl și distanțe de ordinul lui l Pl, geometria spațiului-timp să devină un obiect cuantic, caracteristicile geometrice să experimenteze fluctuații cuantice. Cu alte cuvinte, la scara Planck nu există o geometrie spațiu-timp fixă; în sens figurat, spațiu-timp este o spumă clocotită.
Secvenţial teoria cuantica gravitația nu este construită. Datorită valorilor extrem de mici ale lui l Pl, t Pl, ar trebui de așteptat ca în orice viitor previzibil să nu se poată efectua experimente în care s-ar manifesta efecte cuantico-gravitaționale. Prin urmare, cercetarea teoretică a problemelor gravitației cuantice rămâne singura cale de urmat. Există, totuși, fenomene în care gravitația cuantică ar putea fi semnificativă? Da, există și am vorbit deja despre ele. Acesta este colapsul gravitațional și Big Bang-ul. Conform teoriei clasice a gravitației, un obiect supus colapsului gravitațional ar trebui să fie comprimat la o dimensiune arbitrar de mică. Aceasta înseamnă că dimensiunile sale pot deveni comparabile cu l Pl, unde teoria clasică nu mai este aplicabilă. În același mod, în timpul Big Bang-ului, vârsta Universului era comparabilă cu tPl și dimensiunile sale erau de ordinul lui lPl. Aceasta înseamnă că înțelegerea fizicii Big Bang-ului este imposibilă în cadrul teoriei clasice. Astfel, o descriere a stadiului final al colapsului gravitațional și a stadiului inițial al evoluției Universului poate fi realizată numai folosind teoria cuantică a gravitației.

Interacțiune slabă

Această interacțiune este cea mai slabă dintre interacțiunile fundamentale observate experimental în dezintegrarea particulelor elementare, unde efectele cuantice sunt fundamental semnificative. Să ne amintim că manifestările cuantice ale interacțiunii gravitaționale nu au fost niciodată observate. Interacțiunile slabe sunt evidențiate folosind următoarea regulă: dacă o particulă elementară numită neutrin (sau antineutrin) este implicată în procesul de interacțiune, atunci această interacțiune este slabă.

Un exemplu tipic de interacțiune slabă este dezintegrarea beta a unui neutron

Np + e - + e,

unde n este un neutron, p este un proton, e este un electron, e este un antineutrino electronic. Trebuie totuși avut în vedere că regula de mai sus nu înseamnă deloc că orice act de interacțiune slabă trebuie să fie însoțit de un neutrin sau antineutrin. Se știe că apar un număr mare de dezintegrari fără neutrini. Ca exemplu, putem observa procesul de dezintegrare a unui hiperon lambda într-un proton p și un pion încărcat negativ π - . Conform conceptelor moderne, neutronul și protonul nu sunt cu adevărat particule elementare, ci constau din particule elementare numite quarci.
Intensitatea interacțiunii slabe este caracterizată de constanta de cuplare Fermi G F . Constanta G F este dimensională. Pentru a forma o cantitate adimensională, este necesar să se folosească o masă de referință, de exemplu masa protonilor m p. Atunci constanta de cuplare adimensională va fi

G F m p 2 ~ 10-5 .

Se poate observa că interacțiunea slabă este mult mai intensă decât interacțiunea gravitațională.
Interacțiunea slabă, spre deosebire de interacțiunea gravitațională, este pe distanță scurtă. Aceasta înseamnă că forța slabă dintre particule intră în joc doar dacă particulele sunt suficient de aproape una de cealaltă. Dacă distanța dintre particule depășește o anumită valoare numită raza caracteristică de interacțiune, interacțiunea slabă nu se manifestă. S-a stabilit experimental că raza caracteristică a interacțiunii slabe este de aproximativ 10 -15 cm, adică interacțiunea slabă este concentrată la distanțe mai mici decât dimensiunea nucleului atomic.
De ce putem vorbi despre interacțiunea slabă ca un tip independent de interacțiune fundamentală? Răspunsul este simplu. S-a stabilit că există procese de transformare a particulelor elementare care nu se reduc la interacțiuni gravitaționale, electromagnetice și puternice. Un bun exemplu care arată că există trei interacțiuni calitativ diferite în fenomenele nucleare vine din radioactivitate. Experimentele indică prezența a trei tipuri variate radioactivitate: -, - si -desintegrari radioactive. În acest caz, dezintegrarea se datorează interacțiunii puternice, dezintegrarea se datorează interacțiunii electromagnetice. Dezintegrarea rămasă nu poate fi explicată prin interacțiunile electromagnetice și puternice și suntem forțați să acceptăm că există o altă interacțiune fundamentală, numită cea slabă. În cazul general, necesitatea introducerii unei interacțiuni slabe se datorează faptului că în natură au loc procese în care dezintegrarile electromagnetice și puternice sunt interzise de legile de conservare.
Deși interacțiunea slabă este concentrată semnificativ în nucleu, ea are anumite manifestări macroscopice. După cum am observat deja, este asociat cu procesul de β-radioactivitate. În plus, interacțiunea slabă joacă un rol important în așa-numitele reacții termonucleare responsabile de mecanismul de eliberare a energiei în stele.
Cea mai uimitoare proprietate a interacțiunii slabe este existența unor procese în care se manifestă asimetria în oglindă. La prima vedere, pare evident că diferența dintre conceptele stânga și dreapta este arbitrară. Într-adevăr, procesele de interacțiune gravitațională, electromagnetică și puternică sunt invariante în raport cu inversiunea spațială, care realizează reflexia în oglindă. Se spune că în astfel de procese se păstrează paritatea spațială P. Cu toate acestea, s-a stabilit experimental că procesele slabe pot proceda cu neconservarea parității spațiale și, prin urmare, par să simtă diferența dintre stânga și dreapta. În prezent, există dovezi experimentale solide că nonconservarea parității în interacțiunile slabe este de natură universală; se manifestă nu numai în dezintegrarea particulelor elementare, ci și în fenomene nucleare și chiar atomice. Trebuie recunoscut că asimetria oglinzii este o proprietate a Naturii la cel mai fundamental nivel.
Neconservarea parității în interacțiunile slabe arăta astfel proprietate neobișnuită, că aproape imediat după descoperirea sa, teoreticienii au făcut încercări de a arăta că de fapt există o simetrie completă între stânga și dreapta, doar că are o semnificație mai profundă decât se credea anterior. Reflexia în oglindă trebuie să fie însoțită de înlocuirea particulelor cu antiparticule (conjugarea sarcinii C), iar atunci toate interacțiunile fundamentale trebuie să fie invariante. Cu toate acestea, s-a stabilit ulterior că această invarianță nu este universală. Există dezintegrari slabe ale așa-numiților caoni neutri cu viață lungă în pioni π + , π − , care ar fi interzise dacă invarianța indicată ar avea loc într-adevăr. Astfel, o proprietate distinctivă a interacțiunii slabe este non-invarianța sa CP. Este posibil ca această proprietate să fie responsabilă pentru faptul că materia din Univers predomină semnificativ asupra antimateriei, construită din antiparticule. Lumea și antilumea sunt asimetrice.
Întrebarea despre care particule sunt purtătoare ale interacțiunii slabe a fost neclară de mult timp. Înțelegerea a fost realizată relativ recent în cadrul teoriei unificate a interacțiunilor electroslăbite - teoria Weinberg-Salam-Glashow. Acum este general acceptat că purtătorii interacțiunii slabe sunt așa-numiții bosoni W ± și Z 0. Acestea sunt particule elementare încărcate W ± și neutre Z 0 cu spin 1 și mase egale în ordinul mărimii cu 100 m p .

Interacțiune electromagnetică

Toate corpurile încărcate, toate particulele elementare încărcate participă la interacțiunea electromagnetică. În acest sens, este destul de universal. Teoria clasică interacțiunea electromagnetică este electrodinamica maxwelliană. Sarcina electronilor e este luată ca constantă de cuplare.
Dacă luăm în considerare două sarcini punctiforme q 1 și q 2 în repaus, atunci interacțiunea lor electromagnetică se va reduce la o forță electrostatică cunoscută. Aceasta înseamnă că interacțiunea este pe distanță lungă și scade lent pe măsură ce distanța dintre sarcini crește.
Manifestările clasice ale interacțiunii electromagnetice sunt bine cunoscute și nu ne vom opri asupra lor. Din punctul de vedere al teoriei cuantice, purtătorul interacțiunii electromagnetice este fotonul particulei elementare - un boson fără masă cu spin 1. Interacțiunea electromagnetică cuantică între sarcini este descrisă în mod convențional după cum urmează:

O particulă încărcată emite un foton, determinând schimbarea stării sale de mișcare. O altă particulă absoarbe acest foton și, de asemenea, își schimbă starea de mișcare. Ca rezultat, particulele par să simtă prezența reciprocă. Este bine cunoscut ca incarcare electrica este o mărime dimensională. Este convenabil să se introducă constanta de cuplare adimensională a interacțiunii electromagnetice. Pentru a face acest lucru, trebuie să utilizați constantele fundamentale și c. Ca rezultat, ajungem la următoarea constantă de cuplare adimensională, numită constanta de structură fină în fizica atomică α = e 2 /c ≈1/137.

Este ușor de observat că această constantă depășește semnificativ constantele interacțiunilor gravitaționale și slabe.
Dintr-un punct de vedere modern, interacțiunile electromagnetice și slabe reprezintă aspecte diferite ale unei singure interacțiuni electroslabe. A fost creată o teorie unificată a interacțiunii electroslabe - teoria Weinberg-Salam-Glashow, care explică toate aspectele interacțiunilor electromagnetice și slabe dintr-o poziție unificată. Este posibil să înțelegem la nivel calitativ cum are loc împărțirea interacțiunii combinate în interacțiuni separate, aparent independente?
Atâta timp cât energiile caracteristice sunt suficient de mici, interacțiunile electromagnetice și cele slabe sunt separate și nu se afectează reciproc. Pe măsură ce energia crește, începe influența lor reciprocă și la energii suficient de mari aceste interacțiuni se contopesc într-o singură interacțiune electroslăbită. Energia caracteristică de unificare este estimată în ordinea mărimii a fi de 10 2 GeV (GeV este prescurtare pentru gigaelectron-volt, 1 GeV = 10 9 eV, 1 eV = 1,6 10 -12 erg = 1,6 10 19 J). Pentru comparație, observăm că energia caracteristică a unui electron în starea fundamentală a unui atom de hidrogen este de aproximativ 10 -8 GeV, energia caracteristică de legare a unui nucleu atomic este de aproximativ 10 -2 GeV și energia caracteristică de legare a unui solid este de aproximativ 10 -10 GeV. Astfel, energia caracteristică combinației dintre interacțiuni electromagnetice și slabe este enormă în comparație cu energiile caracteristice din fizica atomică și nucleară. Din acest motiv, interacțiunile electromagnetice și slabe nu își manifestă esența unică în fenomenele fizice obișnuite.

Interacțiune puternică

Interacțiunea puternică este responsabilă pentru stabilitatea nucleelor ​​atomice. Din moment ce nucleele atomice ale celor mai multe elemente chimice sunt stabile, este clar că interacțiunea care îi ferește de degradare trebuie să fie destul de puternică. Este bine cunoscut faptul că nucleele constau din protoni și neutroni. Pentru a preveni împrăștierea protonilor încărcați pozitiv în direcții diferite, este necesar să existe între ei forțe atractive care depășesc forțele de repulsie electrostatică. Interacțiunea puternică este cea care este responsabilă pentru aceste forțe atractive.
O trăsătură caracteristică a interacțiunii puternice este independența sa de sarcină. Forțele nucleare de atracție dintre protoni, dintre neutroni și dintre un proton și un neutron sunt în esență aceleași. Rezultă că din punctul de vedere al interacțiunilor puternice, protonul și neutronul nu se pot distinge și se folosește un singur termen pentru ele. nucleon, adică o particulă a nucleului.

Scara caracteristică a interacțiunii puternice poate fi ilustrată luând în considerare doi nucleoni în repaus. Teoria duce la energie potențială interacțiunile lor sub forma potențialului Yukawa

unde valoarea r 0 ≈10 -13 cm și coincide în ordinea mărimii cu dimensiunea caracteristică a nucleului, g este constanta de cuplare a interacțiunii puternice. Această relație arată că interacțiunea puternică este pe distanță scurtă și este în esență complet concentrată la distanțe care nu depășesc dimensiunea caracteristică a nucleului. Când r > r 0 practic dispare. O manifestare macroscopică binecunoscută a interacțiunii puternice este efectul radioactivității. Cu toate acestea, trebuie reținut că potențialul Yukawa nu este o proprietate universală a interacțiunii puternice și nu are legătură cu aspectele sale fundamentale.
În prezent, există o teorie cuantică a interacțiunii puternice, numită cromodinamică cuantică. Conform acestei teorii, purtătorii interacțiunii puternice sunt particulele elementare - gluoni. Conform conceptelor moderne, particulele care participă la interacțiunea puternică și numite hadroni constau din particule elementare - quarci.
Quarcii sunt fermioni cu spin 1/2 și masă diferită de zero. Cea mai surprinzătoare proprietate a quarcilor este sarcina lor electrică fracționată. Quarcii se formează în trei perechi (trei generații de dublete), notate după cum urmează:

u	c
d	s	b

Fiecare tip de quarc este denumit în mod obișnuit o aromă, deci există șase arome de quarc. În acest caz, cuarcii u-, c-, t-au o sarcină electrică de 2/3|e| , iar cuarcii d-, s-, b sunt sarcina electrică -1/3|e|, unde e este sarcina electronului. În plus, există trei quarci cu o anumită aromă. Ele diferă printr-un număr cuantic numit culoare, care are trei valori: galben, albastru, roșu. Fiecărui quarc îi corespunde un antiquarc, care are o sarcină electrică opusă în raport cu quarcul dat și un așa-numit anticolor: anti-galben, anti-albastru, anti-roșu. Ținând cont de numărul de arome și culori, vedem că există în total 36 de quarci și antiquarci.
Cuarcii interacționează între ei prin schimbul a opt gluoni, care sunt bosoni fără masă cu spin 1. Pe măsură ce interacționează, culorile quarcilor se pot schimba. În acest caz, interacțiunea puternică este descrisă în mod convențional după cum urmează:

Cuarcul care face parte din hadron emite un gluon, datorită căruia starea de mișcare a hadronului se modifică. Acest gluon este absorbit de un quarc care face parte dintr-un alt hadron și își schimbă starea mișcării. Ca urmare, hadronii interacționează unul cu celălalt.
Natura este concepută în așa fel încât interacțiunea cuarcilor duce întotdeauna la formarea unor stări legate incolore, care sunt tocmai hadronii. De exemplu, un proton și un neutron sunt formați din trei quarci: p = uud, n = udd. Pionul π − este compus dintr-un cuarc u și un antiquarc: π − = u. O trăsătură distinctivă a interacțiunii quarc-cuarc prin gluoni este aceea că, pe măsură ce distanța dintre quarci scade, interacțiunea lor slăbește. Acest fenomen se numește libertate asimptotică și duce la faptul că quarcii din interiorul hadronilor pot fi considerați particule libere. Libertatea asimptotică decurge în mod natural din cromodinamica cuantică. Există indicii experimentale și teoretice că pe măsură ce distanța crește, interacțiunea dintre quarci ar trebui să crească, fapt pentru care este favorabil energetic ca quarcii să se afle în interiorul hadronului. Aceasta înseamnă că putem observa doar obiecte incolore - hadronii. Cuarcii și gluonii unici, care au culoare, nu pot exista în stare liberă. Fenomenul de izolare a particulelor elementare cu culoare în interiorul hadronilor se numește izolare. Au fost propuse diverse modele pentru a explica închiderea, dar încă nu a fost construită o descriere consecventă care urmează din primele principii ale teoriei. Din punct de vedere calitativ, dificultățile apar din faptul că, având culoare, gluonii interacționează cu toate obiectele colorate, inclusiv între ele. Din acest motiv, cromodinamica cuantică este o teorie în esență neliniară, iar metodele de cercetare aproximative adoptate în electrodinamica cuantică și teoria electroslabă se dovedesc a nu fi pe deplin adecvate în teoria interacțiunilor puternice.

Tendințe în îmbinarea interacțiunilor

Vedem că la nivel cuantic toate interacțiunile fundamentale se manifestă în același mod. O particulă elementară a unei substanțe emite o particulă elementară - un purtător de interacțiune, care este absorbită de o altă particulă elementară a unei substanțe. Acest lucru duce la interacțiunea particulelor de materie între ele.
Constanta de cuplare adimensională a interacțiunii puternice poate fi construită prin analogie cu constanta de structură fină sub forma g2/(c)10. Dacă comparăm constantele de cuplare adimensionale, este ușor de observat că cea mai slabă este interacțiunea gravitațională, urmată de cea slabă, electromagnetică și puternică.
Dacă luăm în considerare teoria unificată deja dezvoltată a interacțiunilor electroslabe, numită acum standard, și urmăm tendința de unificare, atunci se pune problema construirii unei teorii unificate a interacțiunilor electroslabe și puternice. În prezent, au fost create modele ale unei astfel de teorii unificate, numite modelul de mare unificare. Toate aceste modele au multe puncte în comun; în special, energia de unificare caracteristică se dovedește a fi de ordinul a 10 15 GeV, ceea ce depășește semnificativ energia de unificare caracteristică a interacțiunilor electromagnetice și slabe. Rezultă că cercetarea experimentală directă în marea unificare pare problematică chiar și într-un viitor destul de îndepărtat. Pentru comparație, observăm că cea mai mare energie care poate fi atinsă cu acceleratoarele moderne nu depășește 10 3 GeV. Prin urmare, dacă se obțin date experimentale referitoare la marea unificare, acestea nu pot fi decât de natură indirectă. În special, modelele mari unificate prezic dezintegrarea protonilor și existența unui monopol magnetic de masă mare. Confirmarea experimentală a acestor predicții ar fi un mare triumf pentru tendințele de unificare.
Imaginea de ansambluÎmpărțirea unei singure mari interacțiuni în interacțiuni separate puternice, slabe și electromagnetice este următoarea. La energii de ordinul a 10 15 GeV și mai mari, există o singură interacțiune. Când energia scade sub 10 15 GeV, forțele puternice și electroslabele sunt separate unele de altele și sunt reprezentate ca forțe fundamentale diferite. Cu o scădere suplimentară a energiei sub 10 2 GeV, interacțiunile slabe și electromagnetice se separă. Ca urmare, pe scara energetică caracteristică fizicii fenomenelor macroscopice, cele trei interacțiuni luate în considerare nu par să aibă o singură natură.
Să observăm acum că energia de 10 15 GeV nu este atât de departe de energia Planck

la care efectele cuantico-gravitaţionale devin semnificative. Prin urmare, marea teorie unificată duce în mod necesar la problema gravitației cuantice. Dacă urmărim în continuare tendința de unificare, trebuie să acceptăm ideea existenței unei interacțiuni fundamentale cuprinzătoare, care este împărțită în secvențial gravitațional, puternic, slab și electromagnetic, pe măsură ce energia scade de la valoarea Planck la energii. mai puțin de 10 2 GeV.
Construirea unei astfel de teorii unificatoare grandioase nu este aparent fezabilă în cadrul sistemului de idei care a condus la teoria standard a interacțiunilor electroslabe și a modelelor de mare unificare. Este necesar să atragem idei, idei și metode noi, poate aparent nebunești. În ciuda abordărilor foarte interesante dezvoltate recent, precum supergravitația și teoria corzilor, problema unificării tuturor interacțiunilor fundamentale rămâne deschisă.

Concluzie

Așadar, am trecut în revistă informațiile de bază referitoare la cele patru interacțiuni fundamentale ale Naturii. Sunt descrise pe scurt manifestările microscopice și macroscopice ale acestor interacțiuni și tabloul fenomenelor fizice în care acestea joacă un rol important.
Ori de câte ori a fost posibil, am încercat să urmărim tendința de unificare, să observăm trăsăturile comune ale interacțiunilor fundamentale și să furnizăm date cu privire la scările caracteristice ale fenomenelor. Desigur, materialul prezentat aici nu se pretinde a fi o recenzie completă și nu conține multe detalii importante necesare pentru prezentarea sistematică. O descriere detaliată a problemelor pe care le-am ridicat necesită utilizarea întregului arsenal de metode ale fizicii teoretice moderne de înaltă energie și depășește sfera acestui articol, literatura de știință populară. Scopul nostru a fost să prezentăm imaginea generală a realizărilor fizicii teoretice moderne de înaltă energie și tendințele în dezvoltarea acesteia. Am căutat să stârnim interesul cititorului pentru un studiu independent, mai detaliat al materialului. Desigur, cu această abordare o anumită îngroșare este inevitabilă.
Lista de referințe propusă permite unui cititor mai pregătit să-și aprofundeze înțelegerea problemelor discutate în articol.

1. Okun L.B. a, b, g, Z. M.: Nauka, 1985.
2. Okun L.B. Fizica particulelor elementare. M.: Nauka, 1984.
3. Novikov I.D. Cum a explodat Universul. M.: Nauka, 1988.
4. Friedman D., van. Nieuwenhuizen P. // Uspekhi fiz. Sci. 1979. T. 128. N 135.
5. Hawking S. De la Big Bang la găurile negre: Poveste scurta timp. M.: Mir, 1990.
6. Davis P. Superputere: Căutări pentru o teorie unificată a naturii. M.: Mir, 1989.
7. Zeldovich Ya.B., Khlopov M.Yu. Drama ideilor în cunoaşterea naturii. M.: Nauka, 1987.
8. Gottfried K., Weiskopf W. Concepte ale fizicii particulelor elementare. M.: Mir, 1988.
9. Coughlan G.D., Dodd J.E. Idei de fizica particulelor. Cambridge: Cambridge University. Press, 1993.