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. Exemplu 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. De asemenea, este legat de faptul că, din cauza maselor mici de particule elementare, această interacțiune în procesele fizicii nucleare este nesemnificativă.

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.

Există 4 tipuri de interacțiuni fundamentale care nu sunt reductibile unele la altele.

Particulele elementare participă la toate tipurile de interacțiuni cunoscute.

Să le considerăm în ordinea descrescătoare a intensității:

1) puternic,

2) electromagnetice,

3) slab

4) gravitațional.

Interacțiune puternică are loc la nivelul nucleelor ​​atomice şi reprezintă atracţia reciprocă a părţilor lor constitutive. Functioneaza la o distanta de aproximativ 10 -13 cm.

Ca rezultat al interacțiunii puternice, se formează sisteme materiale cu energie de legare mare - nuclee atomice. Din acest motiv, nucleele atomilor sunt foarte stabile și greu de distrus.

Interacțiune electromagnetică de aproximativ o mie de ori mai slab decât unul puternic, dar acționează pe distanțe mult mai mari. Acest tip de interacțiune este caracteristic particulelor încărcate electric. În procesul de interacțiune electromagnetică, electronii și nucleele atomice se combină în atomi, iar atomii în molecule. Într-un anumit sens, această interacțiune este fundamentală în chimie și biologie.

Interacțiune slabă eventual între diferite particule. Se întinde pe o distanță de ordinul a 10 -15 -10 -22 cm și este asociat în principal cu dezintegrarea particulelor. Conform stadiului actual al cunoștințelor, majoritatea particulelor sunt instabile tocmai din cauza interacțiunii slabe. De exemplu, transformarea unui neutron într-un proton, electron și antineutrin care are loc în nucleul atomic.

Interacțiune gravitațională cea mai slabă și nu este luată în considerare în teoria particulelor elementare, deoarece dă efecte extrem de mici. La scară cosmică, interacțiunea gravitațională este de o importanță decisivă. Gama sa de acțiune nu este limitată.

Timpul în care are loc transformarea particulelor elementare depinde de forța de interacțiune.

Reacțiile nucleare asociate cu interacțiuni puternice apar în 10 -24 -10 -23 s.

Modificările cauzate de interacțiunile electromagnetice apar în 10 -19 -10 -21 s.

Dezintegrarea particulelor elementare asociate cu interacțiunea slabă durează în medie 10 -21 s.

Aceste patru interacțiuni sunt necesare și suficiente pentru a construi o lume diversă.

Fără interacțiuni puternice, nucleele atomice nu ar exista, iar stelele și Soarele nu ar putea genera căldură și lumină folosind energia nucleară.

Fără interacțiuni electromagnetice nu ar exista atomi, molecule, obiecte macroscopice, precum și căldură și lumină.

Fără interacțiuni slabe, reacțiile nucleare în adâncurile Soarelui și stelelor nu ar fi posibile, exploziile de supernove nu ar avea loc, iar elementele grele necesare vieții nu s-ar putea răspândi în tot Universul.

Fără interacțiune gravitațională, nu numai că nu ar exista galaxii, stele, planete, dar întregul Univers nu ar putea evolua, deoarece gravitația este un factor unificator care asigură unitatea Universului în ansamblu și evoluția lui.

toate cele patru interacțiuni fundamentale necesare pentru a crea o lume materială complexă și diversă din particule elementare pot fi obținute dintr-o interacțiune fundamentală - super puteri .

S-a dovedit teoretic că la temperaturi (sau energii) foarte ridicate toate cele patru interacțiuni se combină într-una singură.

La o energie de 100 GeV, interacțiunile electromagnetice și slabe se combină. Această temperatură corespunde temperaturii Universului în 10 -10 s. după Big Bang.

La o energie de 1015 GeV, li se alătură o interacțiune puternică.

La o energie de 1019 GeV, toate cele patru interacțiuni se combină.

1 GeV = 1 miliard de electroni volți

Progresele în domeniul cercetării particulelor elementare au contribuit la dezvoltarea în continuare a conceptului de atomism.

În prezent se crede că printre multele particule elementare pe care le putem distinge 12 particule fundamentale si aceeasi suma antiparticule .

Șase particule sunt cuarci cu nume exotice:

„sus”, „jos”, „fermecat”, „ciudat”, „adevărat”, „fermecător”.

Restul de șase sunt leptoni: electron , muon , particulă tau și neutrinii corespunzători acestora (electroni, muoni, neutrini tau).

Materia obișnuită este formată din particule de prima generație.

Se presupune că generațiile rămase pot fi create artificial la acceleratori de particule încărcate.

Pe baza modelului cuarcilor, fizicienii s-au dezvoltat model structura atomilor.

Fiecare atom este format dintr-un nucleu greu (strâns legat de câmpurile gluonice de protoni și neutroni) și un înveliș de electroni.

Numărul de protoni din nucleu este număr de serie element din Tabelul Periodic al Elementelor D.I. Mendeleev.

Un proton are o sarcină electrică pozitivă, o masă de 1836 de ori mai mare decât masa unui electron și dimensiuni de ordinul a 10 -13 cm.

Sarcina electrică a unui neutron este zero.

Un proton, conform ipotezei cuarcului, este format din doi cuarci „sus” și unul „jos” și un neutron - dintr-un cuarc „sus” și doi „jos”. Ele nu pot fi imaginate ca o minge solidă, ci mai degrabă seamănă cu un nor cu granițe neclare, constând din particule virtuale care se nasc și dispar.

Există încă întrebări nerezolvate cu privire la originea quarcilor și leptonilor, dacă aceștia sunt principalele „primele blocuri” ale naturii și cât de fundamentale sunt. Răspunsurile la aceste întrebări sunt căutate în cosmologia modernă.

De mare importanță este studiul proceselor de naștere a particulelor elementare din vid și construcția modelelor de fuziune nucleară primară care au generat anumite particule la momentul nașterii Universului.

Particulele sunt purtătoare de interacțiuni

Interacţiune	Purtător	Încărca	Liturghie, m e	Teoria modernă
Puternic	Gluon	0	0	Cromodinamică cuantică (1974)
Electromagnetic	Foton	0	0	Electrodinamica cuantică de Feynman, Schwinger, Tomonaga, Dyson (1940)
Slab	W + - boson	+1	157000	Teoria electroslabelor: Weinberg, Glashow, Salam (1967)
	W - boson	-1	157000
	Z 0 - bozon	0	178000
Gravitațional	Graviton	0	0	FOTO: Einstein (1915)

Interacțiuni fundamentale

În natură, există o mare varietate de sisteme și structuri naturale, ale căror caracteristici și dezvoltare sunt explicate prin interacțiunea obiectelor materiale, adică acțiunea reciprocă unul asupra celuilalt. Exact interacțiunea este principalul motiv al mișcării materiei și este caracteristică tuturor obiectelor materiale, indiferent de originea și organizarea lor sistemică.. Interacțiunea este universală, la fel ca și mișcarea. Obiectele care interacționează fac schimb de energie și impuls (acestea sunt principalele caracteristici ale mișcării lor). În fizica clasică, interacțiunea este determinată de forța cu care un obiect material acționează asupra altuia. Multă vreme paradigma a fost conceptul de acțiune cu rază lungă de acțiune - interacțiunea obiectelor materiale situate la mare distanță unele de altele și se transmite instantaneu prin spațiul gol. În prezent, un altul a fost confirmat experimental - conceptul de interacțiune pe distanță scurtă - interacțiunea se transmite folosind câmpuri fizice cu o viteză finită care nu depășește viteza luminii în vid. Un câmp fizic este un tip special de materie care asigură interacțiunea obiectelor materiale și sistemele acestora (următoarele câmpuri: electromagnetic, gravitațional, câmp de forțe nucleare - slab și puternic). Sursa câmpului fizic sunt particulele elementare (particule electromagnetice încărcate), în teoria cuantică interacțiunea se datorează schimbului de quante de câmp între particule.

Există patru interacțiuni fundamentale în natură: puternice, electromagnetice, slabe și gravitaționale, care determină structura lumii înconjurătoare.

Interacțiune puternică(interacţiunea nucleară) este atracţia reciprocă a părţilor constitutive ale nucleelor ​​atomice (protoni şi neutroni) şi acţionează la o distanţă de ordinul a 10 -1 3 cm, transmisă de gluoni. Din punctul de vedere al interacțiunii electromagnetice, un proton și un neutron sunt particule diferite, deoarece un proton este încărcat electric, iar un neutron nu. Dar din punctul de vedere al interacțiunii puternice, aceste particule nu se pot distinge, deoarece într-o stare stabilă neutronul este o particulă instabilă și se descompune într-un proton, electron și neutrin, dar în nucleu devine similar în proprietățile unui proton, motiv pentru care termenul „nucleon ( din lat. nucleu- nucleu)” și un proton cu un neutron a început să fie considerat ca două stări diferite ale nucleonului. Cu cât interacțiunea nucleonilor din nucleu este mai puternică, cu atât nucleul este mai stabil, cu atât energia specifică de legare este mai mare.

Într-o substanță stabilă, interacțiunea dintre protoni și neutroni la temperaturi nu prea ridicate crește, dar dacă are loc o ciocnire a nucleelor ​​sau a părților acestora (nucleoni de înaltă energie), atunci apar reacții nucleare, care sunt însoțite de eliberarea de energie enormă.

În anumite condiții, interacțiunea puternică leagă foarte ferm particulele în nucleele atomice - sisteme de materiale cu energie de legare mare. Din acest motiv, nucleele atomilor sunt foarte stabile și greu de distrus.

Fără interacțiuni puternice, nucleele atomice nu ar exista, iar stelele și Soarele nu ar putea genera căldură și lumină folosind energia nucleară.

Interacțiune electromagnetică transmise cu ajutorul câmpurilor electrice și magnetice. Un câmp electric apare în prezența sarcinilor electrice, iar un câmp magnetic apare atunci când acestea se mișcă. Un câmp electric în schimbare generează un câmp magnetic alternativ - aceasta este sursa câmpului magnetic alternativ. Acest tip de interacțiune este caracteristic particulelor încărcate electric. Purtătorul interacțiunii electromagnetice este un foton care nu are sarcină - un cuantum al câmpului electromagnetic. În procesul de interacțiune electromagnetică, electronii și nucleele atomice se combină în atomi, iar atomii în molecule. ÎN într-un anumit sens această interacțiune este fundamentală în chimie și biologie.

Primim aproximativ 90% din informațiile despre lumea din jurul nostru printr-o undă electromagnetică, din moment ce diverse stări ale materiei, frecare, elasticitate etc. sunt determinate de forțele interacțiunii intermoleculare, care sunt de natură electromagnetică. Interacțiunile electromagnetice sunt descrise de legile teoriei electromagnetice ale lui Coulomb, Ampere și Maxwell.

Interacțiunea electromagnetică stă la baza creării diverselor aparate electrice, radiouri, televizoare, calculatoare etc. Este de aproximativ o mie de ori mai slab decât unul puternic, dar cu rază de acțiune mult mai lungă.

Fără interacțiuni electromagnetice nu ar exista atomi, molecule, macro-obiecte, căldură și lumină.

3. Interacțiune slabă probabil între diverse particule, cu excepția fotonului, este cu rază scurtă de acțiune și se manifestă la distanțe mai mici decât dimensiunea nucleului atomic 10 -15 - 10 -22 cm.Interacțiunea slabă este mai slabă decât interacțiunea puternică și procesele cu interacțiune slabă continuă. mai lent decât cu o interacțiune puternică. Responsabil pentru dezintegrarea particulelor instabile (de exemplu, transformarea unui neutron într-un proton, electron, antineutrino). Din cauza acestei interacțiuni, majoritatea particulelor sunt instabile. Purtătorii de interacțiune slabi sunt ionii, particulele cu o masă de 100 de ori mai mare decât masa protonilor și neutronilor. Datorită acestei interacțiuni, Soarele strălucește (un proton se transformă într-un neutron, pozitron, neutrin, neutrinul emis are o capacitate uriașă de penetrare).

Fără interacțiuni slabe, reacțiile nucleare în adâncurile Soarelui și stelelor nu ar fi posibile și nu ar apărea stele noi.

4. Interacțiune gravitațională cel mai slab, nu este luat în considerare în teoria particulelor elementare, întrucât la distanțe caracteristice (10 -13 cm) efectele sunt mici, iar la distanțe ultra-mici (10 -33 cm) și la energii ultra-înalte, gravitația. devine importantă şi încep să apară proprietăţile neobişnuite ale vidului fizic .

Gravitație (din latinescul gravitas - „gravitație”) - interacțiunea fundamentală este pe distanță lungă (aceasta înseamnă că indiferent de cât de masiv se mișcă un corp, în orice punct al spațiului potențialul gravitațional depinde doar de poziția corpului la un anumit punct). moment în timp) și toate corpurile materiale îi sunt supuse . Practic, gravitația joacă un rol decisiv la scară cosmică, Megaworld.

În cadrul mecanicii clasice, este descrisă interacțiunea gravitațională legea gravitației universale Newton, care afirmă că forța de atracție gravitațională dintre două puncte materiale de masă m 1 și m 2 separate prin distanță R, Există

Unde G- constantă gravitațională.

Fără interacțiuni gravitaționale nu existau galaxii, stele, planete sau evoluție a Universului.

Timpul în care are loc transformarea particulelor elementare depinde de puterea interacțiunii (cu interacțiune puternică, reacțiile nucleare au loc în 10 -24 - 10 -23 s., cu electromagnetice - modificările apar în 10 -19 - 10 -21 s. , cu dezintegrare slabă în 10 -10 s.).

Toate interacțiunile sunt necesare și suficiente pentru construirea unei lumi materiale complexe și diverse, din care, potrivit oamenilor de știință, se poate obține superputere(la temperaturi sau energii foarte ridicate toate cele patru forțe se combină pentru a se forma unu).

• 2.2 Interacțiune slabă
• 5 Interacțiuni fundamentale în natură - Rezumat

Sub interacțiuni fundamentale(Engleză: interacțiuni fundamentale) în microcosmos înțelege calitativ diferite tipuri de interacțiuni ale particulelor elementare.

1 Interacțiuni fundamentale existente în natură

Studiind structura materiei, prezența și interacțiunile câmpurilor fizice, fizica a stabilit experimental existența în natură a următoarelor două tipuri de interacțiuni fundamentale și câmpurile lor fizice:

• Interacțiuni fundamentale electromagnetice (electromagnetice campuri magnetice)
• Interacțiuni fundamentale gravitaționale (câmpuri gravitaționale ale particulelor elementare)

Aceste interacțiuni fundamentale au câmpuri fizice corespunzătoare, astfel încât existența lor nu poate fi contestată. Toate celelalte interacțiuni care există de fapt în natură trebuie reduse la aceste două tipuri de interacțiuni fundamentale.

Afirmațiile unor construcții teoretice abstracte că „astăzi existența a patru interacțiuni fundamentale (fără a număra câmpul Higgs) este cunoscută în mod fiabil” nu au dovezi - ni se prezintă ceea ce se dorește așa cum sa observat. Este la modă să inventezi orice „teorie” frumoasă, să desenezi pe computer imagini încântătoare care să excite imaginația, dar până când vor exista dovezi experimentale, va rămâne o ipoteză matematică sau un basm matematic. Dar câmpul Higgs, de asemenea, NU există în natură, iar masa de particule elementare de materie din Univers nu este creată de acest câmp fabulos.

1.1 Interacțiuni fundamentale electromagnetice

Interacțiuni fundamentale electromagnetice- unul dintre cele două tipuri de interacțiuni fundamentale existente în natură. Interacțiuni fundamentale electromagnetice există între particulele care au câmpuri electrice sau câmpuri magnetice, atât constante, cât și variabile, atât câmpuri constante de sarcini electrice și momente magnetice, cât și dipoli. Interacțiunile fundamentale electromagnetice dintre particulele participante sunt efectuate numai prin câmpuri electromagnetice. Interacțiunile fundamentale electromagnetice pot avea următoarele componente:

Interacțiune electrică câmpurile electrice ale particulelor încărcate se disting prin caracterul lor cu rază lungă de acțiune - forța de interacțiune între două sarcini scade pe măsură ce a doua putere a distanței. Conform aceleiași legi, interacțiunea gravitațională scade odată cu distanța. Aceasta este singura componentă cu rază lungă a interacțiunilor fundamentale electromagnetice. În zona apropiată, câmpul electric al unei particule elementare încărcate are o structură dipol.

Interacțiunea magnetică câmpurile magnetice ale particulelor elementare care posedă un moment magnetic se disting prin natura lor cu rază scurtă de acțiune - forța de interacțiune între două momente magnetice din zona îndepărtată (la distanțe care depășesc semnificativ dimensiunea unei particule elementare) scade pe măsură ce a treia putere a distanței .

Interacțiune electrică câmpurile electrice ale particulelor elementare neutre care nu au o sarcină electrică, dar au un câmp electric dipol, se disting prin natura lor cu rază scurtă de acțiune - forța de interacțiune între două momente electrice dipol în zona îndepărtată (la distanțe care depășesc semnificativ dimensiunea a unei particule elementare) scade pe măsură ce a treia putere a distanței. Conform aceleiași legi, interacțiunea magnetică scade cu distanța.

Interacțiunea magnetică câmpurile dipol magnetice ale particulelor elementare neutre care posedă un moment dipol magnetic se disting prin caracterul său deosebit de scurt - forța de interacțiune între două momente magnetice dipol în zona îndepărtată (la distanțe care depășesc semnificativ dimensiunea unei particule elementare) scade pe măsură ce a patra puterea distantei.

Interacțiunile fundamentale electromagnetice ale particulelor elementare sunt mult mai puternice decât interacțiunile fundamentale gravitaționale, dar intensitatea lor depinde nu numai de mărimea sarcinilor și a curenților, ci și de dimensiunile particulelor implicate.

Interacțiunile fundamentale electromagnetice sunt descrise de electrodinamica clasică.

Obiectele care au cel puțin una dintre următoarele componente pot lua parte la interacțiuni fundamentale electromagnetice:

• incarcare electrica,
• câmp dipol electric,
• moment magnetic,
• câmp dipol magnetic,
• câmp electromagnetic alternant.

Toate particulele elementare cunoscute sunt astfel, prin urmare afirmația că neutrinul electronic nu participă la interacțiunile fundamentale electromagnetice NU este adevărată.

1.2 Interacțiuni fundamentale gravitaționale

În secolul al XX-lea se credea că interacțiunea gravitațională este universală interacțiune fundamentalăîntre toate corpurile materiale. Dar din moment ce fizica a stabilit structura corpurilor materiale și natura gravitației, cunoștințele noastre despre gravitație s-au schimbat semnificativ la începutul secolului al XXI-lea.

Prin interacțiuni fundamentale gravitaționale înțelegem interacțiunile câmpurilor gravitaționale vectoriale ale particulelor elementare de materie din Univers. Înțelegerea anterioară a gravitației și povești de matematică Secolul al XX-lea legat de gravitație este un lucru al trecutului. În natură, nu există un câmp gravitațional al unei substanțe abstracte cu masa m, ci o suprapunere a câmpurilor gravitaționale vectoriale create de particule elementare de materie, care depind nu numai de masa particulelor elementare ale surselor gravitaționale, ci și de orientarea învârtirile lor, iar matematica aici este diferită. Prin urmare, orice substanță materială, prin mișcarea termică a atomilor săi, creează unde gravitaționale în spațiul înconjurător.

Natura proprietăților gravitaționale ale particulelor elementare și propagarea câmpurilor gravitaționale în spațiu este descrisă în Teoria gravitației particulelor elementare.

2 Interacțiuni fundamentale fictive

Deoarece modelelor matematice ale fizicii din secolul al XX-lea le lipseau doar două tipuri de interacțiuni fundamentale existente în natură pentru a descrie comportamentul particulelor elementare deschise, ele au trebuit să le INVENTĂ pe cele lipsă.

2.1 Interacțiune puternică - interacțiune fundamentală zână a quarcilor fairy

În primul rând, un citat din Wikipedia din lume: " Forță nucleară puternică(interacțiunea culorilor, interacțiunea nucleară) - una dintre cele patru interacțiuni fundamentale din fizică. Interacțiunea puternică implică quarci și gluoni și particule formate din aceștia numite hadroni (barioni și mezoni). Funcționează pe scări de ordinul mărimii nucleului atomic sau mai puțin, fiind responsabil de legătura dintre quarci din hadroni și de atracția dintre nucleoni (un tip de barion - protoni și neutroni) din nuclee."

Pe fata înșelătorie în fizică. În natură există interacțiuni nucleare- acesta este un fapt, iar restul este FICȚIUNE. Cuarcii zâne se acoperează cu gluoni zâne la interacțiunea nucleară care există de fapt în natură (care poate fi redusă la o suprapunere a interacțiunilor câmpurilor electromagnetice ale particulelor elementare) - ei încearcă să ne înșele. Quarcii NU au fost găsiți în natură și gluonii NU au fost găsiți, iar basmul pseudoștiințific numit „închidere” este o batjocură la adresa legilor naturii. Nimeni nu a dovedit că barionii sunt formați din quarcuri zâne. Pentru urmele presupuse observate ale quarcilor zâne, ei încearcă să ne păcălească cu consecințele câmpului electromagnetic alternant al undelor de particule elementare. Ei bine, schimbul fabulos de particule virtuale contrazice legile naturii.

2.2 Interacțiune slabă

Citat din Wikipedia mondială " Interacțiunea nucleară slabă este o interacțiune fundamentală responsabilă, în special, de procesele de dezintegrare beta a nucleelor ​​atomice și de dezintegrare slabă a particulelor elementare, precum și de încălcarea legilor conservării parității spațiale și combinate în ele. Această interacțiune se numește slabă, deoarece celelalte două interacțiuni, semnificative pentru fizica nucleară și fizica de înaltă energie (puternic și electromagnetic), sunt caracterizate de o intensitate mult mai mare. Cu toate acestea, este mult mai puternic decât a patra dintre interacțiunile fundamentale, gravitațională.

Interacțiunea slabă este pe rază scurtă - se manifestă la distanțe semnificativ mai mici decât dimensiunea nucleului atomic (raza caracteristică de interacțiune este de 2·10 -18 m).

Purtătorii interacțiunii slabe sunt bosonii vectoriali W + , W - și Z 0 . În acest caz, se face o distincție între interacțiunea așa-numiților curenți slabi încărcați și curenții slabi neutri. Interacțiunea curenților încărcați (cu participarea bosonilor încărcați W ±) duce la o modificare a sarcinilor particulelor și la transformarea unor leptoni și quarci în alți leptoni și quarci. Interacțiunea curenților neutri (cu participarea bosonului neutru Z 0) nu schimbă sarcinile particulelor și transformă leptonii și quarcii în aceleași particule. "

Și acum, adevărul. Fizica încă NU are dovezi ale existenței unor interacțiuni fundamentale slabe în natură - ei ne oferă un BEST matematic și vor să-l luăm pe credință.

Afirmația că interacțiunea slabă se presupune că se manifestă la distanțe de 2·10 -18 m este un basm. Particulele elementare nu sunt obiecte punctuale - este necesară energia pentru a comprima câmpurile electromagnetice ale particulelor elementare. Deci dimensiunile liniare ale unui neutron (se presupune că se degradează prin interacțiune slabă) sunt cu două ordine de mărime mai mari decât raza caracteristică de interacțiune - ce înseamnă asta: într-o regiune minusculă a neutronului interacțiunea slabă este activă, dar în regiunile învecinate este activă. nu mai exista? Particulele elementare cunoscute de fizică cu o masă de repaus diferită de zero au dimensiuni liniare care depășesc raza caracteristică a interacțiunii slabe, multe în mod semnificativ - apoi ce și cu ce „interacționează” în acest fel.

Legile naturii sunt legi pentru că ele există în mod obiectiv și funcționează. Și dacă ceva este încălcat, atunci NU este o lege a naturii, ci o abstractizare matematică, prezentată nouă ca o presupusă lege a naturii.

O denumire mai precisă pentru grupul de particule elementare W + , W - și Z 0 nu sunt bozoni vectoriali, ci mezoni vectoriali. În natură există un grup de particule elementare cu spin întreg: mezoni vectori, dintre care unii ne sunt alunecați ca purtători ai interacțiunii slabe. Acest grup selectat artificial de mezoni vectori are un spin egal cu unu. Fiecare particulă elementară de mezoni vectori, inclusiv cei neutri, are în mod necesar propria antiparticulă, care diferă prin semnul sarcinii electrice (pentru particulele încărcate) și semnul momentului magnetic (pentru particulele neutre). Mesonul vector W + are următoarea antiparticulă: W - vector mezon. În mod similar, mezonul vector Z 0 are propria sa antiparticulă. Dar dacă mezonul vector Z 0 poartă interacțiunea slabă, atunci de ce fel de interacțiune în natură este responsabilă antiparticula sa - Anti-slab? Dar o astfel de interacțiune nu a fost încă inventată. Ei bine, dacă antiparticula este, de asemenea, responsabilă pentru cei slabi, atunci de ce natura trebuie să dubleze unii dintre „purtătorii” interacțiunii.

NU există purtători de interacțiune slabi în natură - în natură există un grup de particule elementare cu spin întreg: mezoni vectoriali, care ne sunt alunecați ca acești purtători. Fizica a descoperit deja experimental aproximativ 10 astfel de particule elementare; ele au proprietăți caracteristice mezonilor vectori. Conform teoriei câmpului particulelor elementare, numărul potențial de mezoni vectori este infinit - ne așteaptă alții noi descoperiri interesante, în afara limitelor Model standard.

NU există quarci în natură, iar în ceea ce privește descompunerea beta, conform teoriei câmpului particulelor elementare, baza mecanismului de descompunere a particulelor elementare este dorința fiecărei particule elementare de a trece la un nivel de energie mai scăzut (un lucru similar se observă în atom și atom nucleu) sau, mai precis, niveluri. Este limitat de legile naturii, de prezența altor particule elementare și de nivelul lor de energie, dar acest lucru este deja din descoperirile științifice ale fizicii din secolul XXI.

2.3 Interacțiune electromagnetică

Citat din Wikipedia mondială " Interacțiunea electromagnetică este una dintre cele patru interacțiuni fundamentale. Interacțiunea electromagnetică există între particulele care au o sarcină electrică. CU punct modern Din punctul nostru de vedere, interacțiunea electromagnetică între particulele încărcate nu se realizează direct, ci doar printr-un câmp electromagnetic.

Din punctul de vedere al teoriei câmpului cuantic, interacțiunea electromagnetică este purtată de un boson fără masă - un foton (o particulă care poate fi reprezentată ca o excitație cuantică a câmpului electromagnetic). Fotonul în sine nu are o sarcină electrică, dar poate interacționa cu alți fotoni prin schimbul de perechi virtuale electron-pozitron.

Dintre particulele fundamentale, cele care participă și la interacțiunea electromagnetică sunt incarcare electrica particule: quarci, electroni, muoni și lepton tau (din fermioni), precum și bozoni W ± încărcat. Particulele fundamentale rămase ale modelului standard (toate tipurile de neutrini, bosonul Higgs și purtătorii de interacțiuni: bosonul gauge Z 0, fotonii, gluonii) sunt neutre din punct de vedere electric. "

Și acum, adevărul.

Dintre interacțiunile fundamentale electromagnetice existente în natură (vezi paragraful 1.1), doar una a fost potrivită pentru construcțiile teoretice în curs de dezvoltare - interacțiune electrică câmpuri electrice de particule încărcate, care se disting prin caracterul său cu rază lungă de acțiune, în care forța de interacțiune între două sarcini scade pe măsură ce a doua putere a distanței (exact ceea ce era cerut de „teoria” cuantică). L-au ales, chemându-l interacțiune electromagnetică, și am uitat de restul. În același timp, au uitat complet de interacțiunile câmpurilor magnetice ale particulelor elementare, iar rezultatul a fost un Basm pentru cei mici.

De ce interacțiunile câmpurilor electrice ale particulelor elementare trebuie neapărat transferate, încălcând legile naturii. Necesitatea acestui lucru din partea „teoriei” cuantice nu este o dovadă a existenței în natură a unui astfel de mecanism de propagare a interacțiunilor fundamentale. Iar afirmația despre excitația cuantică a câmpului electromagnetic este doar un alt basm matematic. Și indiferent ce basm matematic scriu despre foton, fotonul va rămâne o singură undă electromagnetică a unui câmp electromagnetic alternativ și rămâne neutru din punct de vedere electric. Și un foton neutru din punct de vedere electric nu poate fi în niciun fel responsabil pentru interacțiunile câmpurilor electrice ale particulelor elementare încărcate.

2.4 Interacțiunea electroslabă - a cincea interacțiune fundamentală fabuloasă

Citate din Wikipedia din lume " Modelul standard al fizicii particulelor descrie forța electromagnetică și forța slabă ca manifestări diferite ale forței electroslăbice unice, a cărei teorie a fost dezvoltată în jurul anului 1968 de S. Glashow, A. Salam și S. Weinberg. Pentru această lucrare au primit Premiul Nobel pentru Fizică pentru 1979.

În fizica particulelor, forța electroslabă este o descriere generală a două dintre cele patru forțe fundamentale: forța slabă și forța electromagnetică. Deși cele două interacțiuni sunt foarte diferite la energiile joase obișnuite, în teorie ele par a fi două manifestări diferite ale aceleiași forțe. La energii peste energia de unificare (aproximativ 100 GeV), ele se combină într-o singură interacțiune electroslabă.

Teoria interacțiunii electroslabe este o teorie unificată (unificată) a interacțiunilor slabe și electromagnetice ale quarcilor și leptonilor, creată la sfârșitul anilor 60 ai secolului XX de S. Weinberg, S. Glashow, A. Salam, realizată prin schimbul de patru particule - fotoni fără masă (interacțiune electromagnetică) și bosoni vectori intermediari grei (interacțiune slabă). Mai mult, fotonul și bosonul Z sunt o suprapunere a altor două particule - B 0 și W 0 .

Din punct de vedere matematic, unificarea se realizează folosind grupul de gabarit SU(2) × U(1). Bosonii gauge corespunzători sunt fotonii (forța electromagnetică) și bosonii W și Z (forța slabă). În modelul standard, bosonii de interacțiune slabă câștigă masă din cauza ruperii spontane de simetrie electroslăbită cauzată de mecanismul Higgs

După descoperirea bosonului Higgs, câmpul Higgs a început să fie numit a cincea interacțiune fundamentală. În 2016, au existat sugestii că a cincea interacțiune ar putea fi asociată cu o nouă particulă - bosonul X protofob, care reacționează numai cu electroni și neutroni și este, de asemenea, parte din sectorul întunecat al naturii. "

Realitatea este că în natură NU există interacțiune electromagnetică, dar există interacțiuni fundamentale electromagnetice și asta concepte diferite. De asemenea, NU există interacțiune slabă în natură - fizica NU a stabilit existența unui câmp fizic corespunzător acestuia, pur și simplu ne strecoară un alt BEST matematic.

Nimeni nu a descoperit fabulosul boson Higgs. Sub pretextul presupusului boson Higgs descoperit, ei încearcă să ne strecoare o particulă elementară obișnuită recent descoperită - mezonul vector. - Mezonii cu spin 0 (cum ar fi π 0 și η 0) precum și mezonii vectori cu spin 2 se pot descompune în doi fotoni.Prezența unui canal de dezintegrare cu doi fotoni într-o particulă elementară nu este dovada că avem un „Higgs”. boson”. Când fizicienii au descoperit mezonul π 0, care are o dezintegrare de doi fotoni, în 1950, nimănui nu i-a trecut prin minte că ar fi fost descoperit un alt boson Higgs - „sursa de masă în Univers”, deoarece la acel moment acest basm matematic. nu fusese încă inventat.

Decizii greșite compoziția actuală Comitetul Nobel pentru Fizică, din păcate, au devenit obișnuite. Nu este ultima dată când Premiul Nobel pentru Fizică a fost acordat pentru un BEST matematic.

Afirmația că particula elementară PHOTON este o suprapunere a altor două particule B 0 și W 0 - bozoni - este o escrocherie în fizică. POVESTILE matematice permit totul în lume, dar fizica NU a stabilit acest lucru.

Ei bine, mecanismul Higgs este un alt basm matematic, pentru care a fost acordat și Premiul Nobel pentru „fizică”. Dar Teoria gravitației particulelor elementare a stabilit sursa naturală de masă în particulele elementare și mecanismul natural de formare a acesteia, care nu are NIMIC în comun cu basmul despre bosonul Higgs. - Dar asta este deja din descoperirile științifice ale fizicii din secolul 21

3 Interacțiuni fundamentale în cadrul teoriei cuantice

Teoria cuantică afirmă fără dovezi existența următoarelor interacțiuni fundamentale:

• Interacțiunile nucleare care există efectiv în natură au fost atribuite quarcilor care nu există în natură, realizând un schimb virtual (cu încălcarea legilor naturii) cu gluoni care nu există în natură.
• Dintre interacțiunile fundamentale electromagnetice, teoria cuantică ia în considerare doar interacțiunile câmpurilor electrice ale particulelor încărcate, numindu-le interacțiuni electromagnetice. Interacțiunile câmpurilor magnetice, a căror prezență a fost dovedită experimental în particulele elementare, sunt pur și simplu ignorate.
• Nu există o interacțiune slabă în natură.
• Această înțelegere a gravitației, existentă de la sine, a dat naștere basmului despre găurile negre.

Dar câmpurile magnetice sunt mult mai puternice decât câmpurile electrice și au o natură cu rază scurtă de acțiune. - Dar apoi, pentru a le lua în considerare, va trebui să începem să folosim electrodinamica clasică (în loc de electrodinamica cuantică) iar teoria cuantică va fi forțată să treacă la fundamentul teoriei câmpului particulelor elementare. Și dacă adăugăm la aceasta primatul legii conservării energiei și uităm de particulele virtuale, atunci microlumea va fi văzută complet diferit - nu va mai fi o lume cuantică.

4 Crearea unei teorii unificate a interacțiunilor fundamentale

Prima dintre teoriile interacțiunilor a fost legea gravitației universale, derivată de Isaac Newton și publicată în 1687 în lucrarea „Principii matematice ale filosofiei naturale”. Introducerea de către Poisson în 1813 a conceptului de potențial gravitațional și a ecuației lui Poisson pentru potențialul gravitațional a făcut posibilă studierea câmpului gravitațional cu o distribuție arbitrară a materiei. După aceasta, legea gravitației universale a început să fie considerată drept o lege fundamentală a naturii, iar interacțiunea gravitațională (după 1863) ca una dintre interacțiunile fundamentale ale naturii. Dar acest lucru s-a făcut cu mult înainte ca fizica să descopere structura materiei și a particulelor elementare.

A doua dintre teoriile interacțiunilor a fost teoria electromagnetismului, creată de Maxwell în 1863.

În 1915, Einstein a formulat teoria generală a relativității (GR), care descrie câmpul gravitațional. În fizică, a apărut ideea de a construi o teorie unificată a două interacțiuni fundamentale, așa cum Maxwell a reușit să creeze descriere generala fenomene electrice și magnetice. Potrivit fizicienilor, o astfel de teorie unificată ar uni gravitația (GTR) și electromagnetismul ca manifestări parțiale ale unei anumite interacțiuni unificate.

În prima jumătate a secolului al XX-lea, un număr de fizicieni au făcut numeroase încercări de a crea o astfel de teorie pe baza relativității generale și a teoriei electromagnetismului a lui Maxwell, dar aceste încercări nu au dat un rezultat pozitiv, deoarece teoria generală a relativității și teoria electromagnetismului sunt diferite în esență. Gravitația (în cadrul relativității generale) este descrisă de curbura spațiu-timpului, iar în acest sens câmpul gravitațional este imaterial, în timp ce câmpul electromagnetic prezintă toate atributele necesare ale materiei. - Poate că au construit teoria viitorului pe o bază greșită?

În a doua jumătate a secolului al XX-lea, sarcina de a construi o teorie unificată a interacțiunilor fundamentale a fost semnificativ complicată de introducerea unor interacțiuni ipotetice slabe și puternice care nu existau în natură (dar fizica nu știa încă despre acest lucru), de asemenea ca nevoia de cuantificare a teoriei. – Fizica a început să se dezvolte într-o direcție fără fund.

În 1967, Salam și Weinberg au venit cu teoria forței electroslabe, combinând (în opinia lor) electromagnetismul și ipotetica forță slabă. Mai târziu, în 1973, a fost propusă o teorie a forței puternice ipotetice (cromodinamica cuantică). Pe baza acestora, a fost construit un model de quarci, care a fost ulterior transformat în Modelul standard al particulelor elementare (luând în leptoni care nu se încadrau în modelul de quarci al particulelor elementare), care descrie (în opinia sa) ipotetice electromagnetice, ipotetice. interacțiuni slabe și ipotetice puternice.

Astfel, până de curând, interacțiunile fundamentale erau descrise de două teorii general acceptate: relativitatea generală și Modelul Standard. Unificarea lor nu a putut fi realizată din cauza dificultăților (așa cum se credea) în crearea unei teorii cuantice a gravitației. – Fizica a ajuns în sfârșit într-o fundătură cuantică, ceea ce trebuia să se întâmple. Dar a fi acceptat în general nu înseamnă a fi ADEVĂRAT. Acesta din urmă se referă la Modelul Standard - modelul quarcilor zânelor, gluonilor zânelor și interacțiunilor fundamentale (puternice și slabe) zâne. O încercare de a combina teoria științifică cu BASTELE duce la degenerarea ȘTIINȚEI în sine. Adevărata știință este limitată doar de ADEVĂR, iar BASTELE matematice pot revendica tot ceea ce vine în minte susținătorilor lor și să transmită această ficțiune drept realitate. Poți inventa orice, dar unde se găsește cel puțin un quark sau gluon în natură (nu oferi povești despre urme presupuse descoperite) și cum o particulă care trăiește mai puțin de 0,000001 secunde poate crea masă în Univers, pentru a cărei creație nu există suficientă energie din fuziunea termonucleară a stelelor: aceasta înseamnă că stelele nu pot furniza masiv această particulă instabilă în natură, care este incapabilă să ajungă chiar la cea mai apropiată planetă (poate zbura cu doar câțiva metri înainte de dezintegrarea sa), masa de pe care se presupune că le creează, împreună cu masa altor planete, comete și asteroizi. A existat masă în natură înainte de crearea unei particule numite „bosonul Higgs” din energia unui accelerator, iar când particula creată de ființele inteligente la accelerator s-a degradat foarte repede (a fost prin dezintegrarea a doi fotoni că o nouă particulă a fost descoperit la accelerator), masa din Univers nu a dispărut nicăieri. Matematica este capabilă să deseneze orice, cel mai uimitor model matematic, dar numai natura și legile ei (atât de neiubite de basmele matematice) decid ce să fie. Așa că observăm un flux neîncetat de basme matematice, tăcând date științifice autentice și dând drept cea mai înaltă realizare a științei. Dar nu-mi amintesc că Alfred Nobel în testamentul său a permis eliberarea de premii în numele său pentru POVESTI MATEMATICE.

Astăzi, în secolul al XXI-lea, fizica știe mult mai multe despre structura materiei și particulele elementare care alcătuiesc atomii și moleculele și, de asemenea, s-a convins de eroarea „teoriei” cuantice și de absența fictivului puternic, slab. și interacțiunile electroslabe în natură. Fizica secolului XXI a confirmat unul dintre postulatele relativității generale, că forțele gravitaționale și inerțiale au aceeași natură și această natură este electromagnetismul (vezi Teoria gravitației particulelor elementare, partea 2), dar a stabilit și că câmpul gravitațional , pentru Relativitatea Generală, nu poate crea particule elementare de materie în Univers (câmpul gravitațional este un produs al electromagnetismului, și nu un concept abstract independent, iar câmpul gravitațional al unei particule elementare nu poate comprima câmpul electromagnetic care a generat-o într-un mod fabulos). „gaura neagră”), iar ecuațiilor lui Maxwell de electromagnetism încă lipsește ceva - ecuațiile lui Maxwell nu descriu o singură undă electromagnetică: PHOTON și, de asemenea, introduc sarcini și curenți care NU se află în particulele elementare, deoarece câmpurile electrice și magnetice constante ale elementului particulele sunt DIPOLARE.

Mecanica cuantică a avut de suferit nu mai puțin, după ce a pierdut particulele virtuale și „teoria” cuantică cu multe dintre basmele sale matematice. Fizica secolului 21 are, de asemenea, întrebări despre funcția de undă a mecanicii cuantice sau, mai precis, despre semnificația ei fizică. Dacă, în cazul rotației unui electron într-un atom, pătratul modulului funcției de undă (Ψ) a determinat probabilitatea (dP) ca electronul să se afle într-un punct dat (volum elementar dv) al spațiului, adică.

dP=|Ψ| 2 dv

atunci, în cazul spațiului din interiorul electronului însuși, sau al unei alte particule elementare cu o masă în repaus diferită de zero, acest lucru este lipsit de sens - particula elementară este prezentă într-o anumită regiune a spațiului și este prezentă și în regiunile învecinate în același timp . În acele zone ale spațiului în care intensitatea câmpului electric (E) sau magnetic (H) (atât constant, cât și variabil) a unei particule elementare este diferită de zero, o particulă elementară este prezentă în toate. Și întrucât câmpurile electromagnetice constante ale particulelor elementare se extind până la infinit, rezultă că în fiecare volum elementar de spațiu câmpurile electromagnetice ale unui număr imens de particule elementare sunt prezente simultan, chiar dacă nu sunt în apropiere. După cum vedem, în interiorul unei particule elementare funcția de undă și-a pierdut cea general acceptată sens fizic , ceea ce nu se poate spune despre electrodinamica clasică. La urma urmei, electrodinamica clasică, împreună cu formula lui Einstein, face posibilă determinarea masei în repaus a unei particule elementare:
Unde integrala definita este ocupat întregul spațiu ocupat de particula elementară.

Atunci ce reflectă funcția de undă din interiorul unui electron (sau al unei alte particule elementare)? - În interiorul unei particule elementare (cu excepția unui foton), se rotește un câmp electromagnetic alternant de undă, ale cărui ecuații fizica nu le-a găsit încă și există, de asemenea, câmpuri electromagnetice dipol constante. Și ce legătură are funcția de undă cu ea - poate că ar putea reflecta cumva procesele undelor, dar în ceea ce privește orice altceva, aceasta mare intrebare. Modulul pătrat al funcției de undă (în ciuda normalizării sale) nu poate indica ce parte a unei particule elementare este concentrată într-un volum elementar, deoarece particulele elementare au, de asemenea, câmpuri electromagnetice constante care depășesc domeniul de aplicare al proceselor ondulatorii. Dar a scrie basme matematice este foarte bine.

Dar pentru electrodinamica clasică, o problemă similară nu a cauzat dificultăți. Să introducem, similar mecanicii cuantice:

Respectiv:
Nu este interesant? Pur și simplu am împărțit densitatea de energie electromagnetică a unei particule elementare la întreaga sa energie electromagnetică - am efectuat normalizarea și am obținut: ce parte (ω) din energia electromagnetică a unei particule elementare (și, prin urmare, ce parte a particulei elementare) este concentrată în volumul elementar al spațiului dV. Și de ce este aici mecanica cuantică cu abstracțiile sale matematice și funcția de undă, reflectând cine știe ce, când electrodinamica clasică a făcut o treabă excelentă singură, iar fizica funcționează și ea.

Astăzi, afirmațiile mecanicii cuantice nu pot fi considerate de fizică ca un adevăr de netăgăduit și necesită dovezi experimentale - astfel mecanica cuantică și-a pierdut fosta omnipotență în fizica secolului al XXI-lea.

5 Interacțiuni fundamentale în natură - Rezumat

Fizica, studiind natura, a stabilit experimental existența în natură a doar două tipuri de interacțiuni fundamentale, nu patru sau cinci, ci doar două.

• interacțiunile fundamentale electromagnetice ale câmpurilor electromagnetice ale particulelor elementare de materie ale Universului,
• interacțiuni fundamentale gravitaționale - interacțiuni ale câmpurilor gravitaționale vectoriale ale particulelor elementare de materie din Univers.

Fizica nu și-a stabilit existența în natură câmp slab, și nu doar încă - ci în general. În ceea ce privește purtătorii fabulosi ai fabuloasei interacțiuni slabe: W + , W - și Z 0 -bosoni (sau științific, mezoni vectoriali), în natură, fiecare mezon vector, chiar și cu sarcină electrică zero, are în mod necesar propria antiparticulă, inclusiv Z. 0 -mezon vector, iar mezonul W - -vector este antiparticula mezonului W + -vector. Pur și simplu au luat o grămadă de trei particule elementare din mezonii vectori găsiți în natură și le-au etichetat ca purtători ai fabuloasei interacțiuni slabe.

De asemenea, fizica nu a stabilit existența unui câmp de gluoni în natură, precum și purtătorii săi fabulosi înșiși - gluoni, deoarece nu exista loc pentru particule potrivite pentru o astfel de „teorie” în spectrul particulelor elementare ale naturii. Nu a fost nimeni pe care să-l eticheteze drept purtător al interacțiunii puternice a basmului cu quarcurile zâne.

Introducerea în 2016 a fabuloasei a cincea interacțiuni fundamentale nu are nimic de-a face cu FIZICA-ȘTIINȚA.

Teorii matematice - TALES a încercat să rescrie interacțiunile fundamentale care există de fapt în natură pentru a se potrivi și să adauge pe cele lipsă pentru a se potrivi cu datele experimentale, dar fizica NU are dovezi ale existenței lor în natură. Poți crea atâtea teorii matematice câte autori sunt care doresc să o facă – dar Universul există singur și nu-i pasă de noi sau de creativitatea literară a autorilor științifici.

Astfel, ca la începutul secolului al XX-lea, forțele cunoscute în natură sunt încă reduse la doar două tipuri de interacțiuni fundamentale. Existența altor tipuri de interacțiuni fundamentale în natură trebuie dovedită - și nu postulată.

Vladimir Gorunovich

În a doua jumătate a secolului al XX-lea, odată cu crearea acceleratorilor de particule încărcate, s-au obținut rezultate cu adevărat uimitoare în fizică. Au fost descoperite multe particule subatomice noi. Particulele noi sunt descoperite de obicei prin observarea reacțiilor de împrăștiere ale particulelor deja cunoscute. Pentru a face acest lucru, acceleratoarele ciocnesc particulele cu cât mai multă energie posibil și apoi studiază produsele interacțiunii lor.

Lumea particulelor subatomice este cu adevărat diversă. La particulele deja cunoscute din care se formează atomii și moleculele (protoni, neutroni, electroni) s-au adăugat multe altele: muoni, mezoni, hiperoni, antiparticule, diverse particule neutre etc. Dintre particulele subatomice s-au descoperit și particule care sunt în materia din jurul nostru practic nu apar niciodată - rezonanțe. Durata lor de viață este de cele mai mici fracțiuni de secundă. După acest timp extrem de scurt, ele se dezintegrează în particule obișnuite.

În anii 1950–1970. fizicienii au fost complet uluiți de numărul, varietatea și ciudățenia particulelor subatomice nou descoperite. Dacă la sfârșitul anilor 1940. În timp ce erau cunoscute 15 particule elementare, la sfârșitul anilor 1970 erau deja aproximativ 400. Este complet neclar de ce există atât de multe particule. Sunt particulele elementare doar fragmente aleatorii de materie sau există poate o ordine ascunsă în spatele interacțiunilor lor? Dezvoltarea fizicii în deceniile următoare a arătat că lumea particulelor subatomice este caracterizată de o ordine structurală profundă. Această ordine se bazează pe interacțiuni fizice fundamentale.

10.1. Interacțiuni fizice fundamentale

10.1.1. Conceptul de interacțiune fizică fundamentală.

În a lui Viata de zi cu zi o persoană se confruntă cu multe forțe care acționează asupra corpurilor: forța vântului sau a curgerii apei; presiunea aerului; explozie puternică de explozibil substanțe chimice; forța musculară umană; greutatea obiectelor; presiunea cuantelor de lumină; atragerea și respingerea sarcinilor electrice; unde seismice, uneori provocând distrugeri catastrofale; erupții vulcanice care au dus la moartea civilizațiilor

țiuni, etc. Unele forțe acționează direct la contactul cu corpul, altele, precum gravitația, acționează la distanță, prin spațiu. Dar, după cum s-a dovedit ca urmare a dezvoltării științelor naturale, în ciuda diversității atât de mari, toate forțele care operează în natură pot fi reduse la patru interacțiuni fundamentale.

În ordinea intensității crescătoare, aceste interacțiuni fundamentale sunt prezentate astfel: interacțiune gravitațională; interacțiune slabă; interacțiune electromagnetică; interacțiune puternică. Aceste interacțiuni sunt în cele din urmă responsabile pentru toate schimbările din natură; ele sunt sursa tuturor transformărilor corpurilor și proceselor materiale. Fiecare dintre cele patru interacțiuni fundamentale are asemănări cu celelalte trei și, în același timp, diferențele sale.

În primul rând, ar trebui spus despre ceea ce este comun acestor interacțiuni fundamentale. Cu alte cuvinte: cum înțelege fizica modernă esența interacțiunii? După cum sa menționat deja, la mijlocul secolului al XIX-lea. odată cu crearea teoriei câmpului electromagnetic, a devenit clar că transferul interacțiunii nu are loc instantaneu (principiul acțiunii pe distanță lungă), ci cu o viteză finită printr-un intermediar - un câmp distribuit continuu în spațiu principiul acțiunii la distanță scurtă). Viteza de propagare a câmpului electromagnetic este egală cu viteza luminii (vezi 8.1.4).

Cu toate acestea, deja în primul sfert al secolului al XX-lea, odată cu apariția mecanicii cuantice, înțelegerea câmpului fizic s-a adâncit semnificativ. În lumina dualismului undelor cuantice, orice câmp nu este continuu, ci are o structură discretă; anumite particule, cuante ale acestui câmp, trebuie să îi corespundă. De exemplu, cuantele câmpului electromagnetic sunt fotonii. Când particulele încărcate schimbă fotoni între ele, acest lucru are ca rezultat apariția unui câmp electromagnetic. Fotonii sunt purtători ai interacțiunii electromagnetice.

În mod similar, alte tipuri de interacțiuni fundamentale au propriile lor câmpuri și particulele corespunzătoare care poartă această interacțiune de câmp. Studiul proprietăților și modelelor specifice ale acestor câmpuri și particule - purtătoare de interacțiuni fundamentale - este sarcina principală a fizicii moderne.

10.1.2. Gravitatie.

Gravitația a fost prima dintre cele patru interacțiuni fundamentale care a devenit subiectul cercetării științifice. Creat în secolul al XVII-lea. Teoria gravitației lui Newton (legea gravitației universale) a făcut posibilă pentru prima dată înțelegerea adevăratului rol al gravitației ca forță a naturii (vezi 6.4.1). Teoria relativistă a gravitației este Relativitatea Generală, care în regiunea câmpurilor gravitaționale slabe se transformă în teoria gravitației a lui Newton.

Gravitația are o serie de caracteristici care o deosebesc clar de alte interacțiuni fundamentale. Cea mai surprinzătoare caracteristică a gravitației este intensitatea sa scăzută. Interacțiune gravitațională de 1039 de ori mai puțină forță interacțiunile sarcinilor electrice. Prin urmare, de obicei nu este luată în considerare în descrierea interacțiunilor particulelor elementare. În microlume, gravitația este neglijabilă.

1 Dacă dimensiunile unui atom de hidrogen ar fi determinate de gravitație și nu de interacțiunea dintre sarcinile electrice, atunci raza celei mai joase orbite a electronilor (cea mai apropiată de nucleu) ar depăși raza părții observabile a Universului.

Cum poate o forță atât de slabă să devină forța dominantă în Univers? Este vorba despre a doua caracteristică uimitoare a gravitației - universalitatea sa. Nimic din Univers nu poate scăpa de gravitație. Fiecare particulă experimentează acțiunea gravitației și este ea însăși o sursă de gravitație, provocând atracție gravitațională. Gravitația crește pe măsură ce se formează acumulări din ce în ce mai mari de materie. Și, deși atracția unui atom este neglijabilă, forța de atracție rezultată de la toți atomii poate fi semnificativă. Acest lucru se manifestă și în viața de zi cu zi: simțim gravitația pentru că toți atomii Pământului împreună ne atrag.

În plus, gravitația este o forță cu rază lungă a naturii. Aceasta înseamnă că, deși intensitatea interacțiunii gravitaționale scade odată cu distanța, ea se răspândește în spațiu și poate afecta corpuri foarte îndepărtate de sursă. La scară astronomică, interacțiunile gravitaționale tind să joace un rol major. Datorită acțiunii la distanță lungă, gravitația împiedică Universul să se destrame: ține planetele pe orbite, stelele în galaxii, galaxiile în clustere, clusterele în Metagalaxie.

Forța gravitațională care acționează între particule este întotdeauna o forță atractivă: tinde să apropie particulele. Repulsia gravitațională nu a mai fost observată până acum.

1 Deși în tradițiile mitologiei cvasiștiințifice există o întreagă zonă numită levitație - căutarea „faptelor” de antigravitație.

Este foarte greu de dezvoltat idei despre cuantizarea gravitației. Cu toate acestea, conform conceptelor teoretice și fizice generale, interacțiunea gravitațională ar trebui să se supună legilor cuantice în același mod ca interacțiunea electromagnetică. (În caz contrar, în fundamentele fizicii moderne apar multiple contradicții, inclusiv cele legate de principiul incertitudinii etc.) În acest caz, interacțiunea gravitațională trebuie să corespundă unui câmp cu cuantum gravitațional - gravitonul (o particulă neutră cu repaus zero). masa si spin 2). Gravitația cuantică duce la apariția ideii de proprietăți discrete ale spațiului-timp, a conceptelor de lungime elementară, cuantum spațiu r ≈ 10-33 cm și un interval de timp elementar, cuantum de timp t ≈ 10-43 s. O teorie cuantică consistentă a gravitației nu a fost încă creată.

Din păcate, capacitățile fizicii gravitaționale experimentale moderne și ale astronomiei nu ne permit să detectăm efectele cuantice ale gravitației din cauza slăbiciunii lor extreme. Cu toate acestea, se pare că există fenomene în care se manifestă proprietățile cuantice ale gravitației. Ele se manifestă în câmpuri gravitaționale foarte puternice, unde au loc procese cuantice de naștere a particulelor (punctul de singularitate, momentele inițiale ale apariției Universului, colapsul gravitațional, găurile negre (vezi 11.4 și 11.7)).

10.1.3. Electromagnetism.

Forțele electrice sunt mult mai mari decât forțele gravitaționale, așa că, spre deosebire de interacțiunea gravitațională slabă, forțele electrice care acționează între corpuri de dimensiuni normale pot fi observate cu ușurință. Electromagnetismul este cunoscut oamenilor din timpuri imemoriale (aurore, fulgere etc.). Dar pentru o lungă perioadă de timp, fenomenele electrice și magnetice au fost studiate independent unele de altele. Și abia la mijlocul secolului al XIX-lea. J. C. Maxwell a combinat învățăturile electricității și magnetismului într-o teorie unificată a electromagnetică.

nici un câmp. Și existența electronului (o unitate de sarcină electrică) a fost ferm stabilită în anii 1890. Dar nu toate particulele elementare sunt purtătoare de sarcină electrică. Neutru electric, de exemplu, fotoni și neutrini. Acesta este modul în care electricitatea diferă de gravitație. Toate particulele materiale creează un câmp gravitațional, în timp ce numai particulele încărcate sunt asociate cu un câmp electromagnetic.

Asemenea sarcinilor electrice, precum polii magnetici se resping, iar cei opuși se atrag. Dar, spre deosebire de sarcinile electrice, polii magnetici nu apar individual, ci doar în perechi - polul Nordşi sudic. Din cele mai vechi timpuri, s-au cunoscut încercări de a obține prin împărțirea unui magnet doar unul izolat pol magnetic— monopolul. Dar toate s-au încheiat cu eșec. Poate că existența polilor magnetici izolați în natură este exclusă? Nu există încă un răspuns cert la această întrebare. Unele teorii moderne permit posibilitatea existenței unui monopol magnetic (vezi 10.3.5).

Câmpul electromagnetic al particulelor încărcate staționare sau în mișcare uniformă este inseparabil de aceste particule. Dar, odată cu mișcarea accelerată a particulelor, câmpul electromagnetic „se desprinde” de ele și participă la o formă independentă de unde electromagnetice. În acest caz, undele radio (103-1012 Hz), Radiatii infrarosii(1012 - 3,7 1014 Hz), lumină vizibilă (3,7 1014 - 7,5 1014 Hz), radiații ultraviolete (7,5 1014 - 3 1017 Hz), radiații de raze X (3 1017 - 3 1020 Hz) și radiații gamma (3 1010-) 1023 Hz) sunt unde electromagnetice de diferite frecvențe. În plus, nu există granițe clare între intervalele adiacente (lungime unde electromagnetice este legată de frecvența sa prin relația: λ = c/v, unde λ este lungimea de undă, v este frecvența, c este viteza luminii).

Interacțiunea electromagnetică (cum ar fi gravitația) este pe distanță lungă, se observă la distanțe mari de sursă. La fel ca gravitația, se supune legii inversului pătratului. Interacțiunea electromagnetică se manifestă la toate nivelurile materiei - în megalume, macrolume și microlume.

Câmpul electromagnetic al Pământului se extinde departe în spațiul cosmic, câmpul puternic al Soarelui umple întregul sistem solar; Există și câmpuri electromagnetice galactice. În același timp, interacțiunea electromagnetică determină structura atomilor și moleculelor (nucleul încărcat pozitiv și electronii încărcați negativ). Este responsabil pentru marea majoritate a fenomenelor și proceselor fizice și chimice (cu excepția celor nucleare): forțe elastice, frecare, tensiune superficială; determină proprietățile stărilor agregate ale materiei, transformările chimice, fenomenele optice, fenomenele de ionizare, multe reacții în lumea particulelor elementare etc.

10.1.4. Interacțiune slabă.

Fizica s-a îndreptat încet spre identificarea existenței interacțiunii slabe. Interacțiunea slabă este responsabilă pentru descompunerea particulelor. Prin urmare, manifestarea sa a fost întâlnită în timpul descoperirii radioactivității și studiului dezintegrarii beta (vezi 8.1.5).

Degradarea beta a dezvăluit o caracteristică extrem de ciudată. Se părea că în această decădere a fost încălcată legea conservării energiei, acea parte a energiei a dispărut undeva. Pentru a „salva” legea conservării energiei, W. Pauli a sugerat că în timpul dezintegrarii beta, o altă particulă zboară împreună cu electronul, luând cu ea energia lipsă. Este neutru și are o capacitate de penetrare neobișnuit de mare, drept urmare nu a putut fi observată. E. Fermi a numit particula invizibilă „neutrin”.

Dar prezicerea neutrinilor este doar începutul problemei, formularea ei. A fost necesar să explicăm natura neutrinilor; aici a rămas mult mister. Cert este că electronii și neutrinii au fost emiși de nuclee instabile, dar se știa că în interiorul nucleelor ​​nu existau astfel de particule. Cum au apărut? S-a dovedit că neutronii incluși în nucleu, lăsați singuri, după câteva minute se descompun într-un proton, electron și neutrin. Ce forțe provoacă o astfel de dezintegrare? Analiza a arătat că forțele cunoscute nu pot provoca o astfel de dezintegrare. Se pare că a fost generată de o altă forță, necunoscută, care corespunde unei „interacțiuni slabe”.

Interacțiunea slabă este mult mai mică ca magnitudine decât toate interacțiunile, cu excepția interacțiunii gravitaționale. Acolo unde este prezent, efectele sale sunt umbrite de interacțiunile electromagnetice și puternice. În plus, interacțiunea slabă se extinde pe distanțe foarte mici. Raza celor slabi

interacțiunea este foarte mică (10-16 cm). Prin urmare, nu poate influența nu numai obiectele macroscopice, ci chiar atomice și se limitează la particule subatomice. În plus, în comparație cu interacțiunile electromagnetice și puternice, interacțiunea slabă este extrem de lentă.

Când a început descoperirea ca o avalanșă a multor particule subnucleare instabile, s-a descoperit că majoritatea dintre ele participă la interacțiuni slabe. Interacțiunea slabă joacă un rol foarte important în natură rol important. Este o parte integrantă a reacțiilor termonucleare asupra Soarelui, stele, furnizând sinteza pulsarilor, exploziile de supernove, sinteza elemente chimiceîn stele etc.

Teoria interacțiunii slabe a fost creată la sfârșitul anilor 1960. (vezi 10.3.3). Crearea acestei teorii a fost un pas major spre unitatea fizicii.

10.1.5. Interacțiune puternică.

Ultima din seria interacțiunilor fundamentale este interacțiunea puternică, care este o sursă de energie enormă. Cel mai tipic exemplu de energie eliberată de interacțiunea puternică este Soarele. În adâncurile Soarelui și stelelor, reacțiile termonucleare au loc continuu, cauzate de interacțiune puternică (cu participarea semnificativă a interacțiunii slabe). Dar omul a învățat și să provoace o interacțiune puternică: creat Bombă H, tehnologiile de reacție termonucleară controlată au fost proiectate și îmbunătățite.

Fizica a ajuns la ideea existenței unei interacțiuni puternice în timpul studiului structurii nucleului atomic. O anumită forță trebuie să rețină protonii încărcați pozitiv în nucleu, împiedicându-i să zboare sub influența repulsiei electrostatice. Gravitația este prea slabă pentru a oferi acest lucru; Evident, un fel de interacțiune este necesară și mai puternică decât electromagnetică. Ulterior a fost descoperit și numit „interacțiune puternică”.

S-a dovedit că, deși interacțiunea puternică depășește semnificativ toate celelalte interacțiuni fundamentale în amploarea sa, nu se simte în afara nucleului. Interacțiunea puternică se manifestă la o distanță determinată de distanță

măsuri de bază, de ex. aproximativ 10-13 cm. Functie principala interacțiune puternică în natură - crearea de legături puternice între nucleoni (protoni și neuroni) în nucleele atomilor. În acest caz, ciocnirea nucleelor ​​sau nucleonilor cu energii mari duce la o varietate de reactii nucleare, inclusiv reacțiile de fuziune termonucleară în Soare, care este principala sursă de energie de pe Pământ.

În același timp, s-a dovedit că nu toate particulele experimentează o interacțiune puternică. Astfel, protonii și neutronii îl experimentează, dar electronii, neutrinii și fotonii nu sunt supuși acesteia. De obicei, doar particulele grele participă la interacțiuni puternice.

Explicația teoretică a naturii interacțiunii puternice a fost dificil de dezvoltat. O descoperire a apărut abia la începutul anilor 1960, când a fost propus modelul cuarcilor. În această teorie, neutronii și protonii sunt considerați nu ca particule elementare, ci ca sisteme compozite construite din quarci (vezi 10.3.2).

Astfel, în interacțiunile fizice fundamentale diferența dintre forțele cu rază lungă și rază scurtă este clar vizibilă. Pe de o parte, interacțiuni cu o rază nelimitată (gravitație, electromagnetism), iar pe de altă parte, cu o rază mică (puternic și slab). Lumea proceselor fizice se desfășoară în limitele acestor două polarități și întruchipează unitatea extrem de mic și extrem de mare - microlume și megalume, o particulă elementară și întregul Univers.

10.1.6. Problema unității fizicii.

Cunoașterea este o generalizare a realității și, prin urmare, scopul științei este căutarea unității în natură, legând fragmente disparate de cunoaștere într-o singură imagine. Pentru a crea astfel sistem unificat, este necesar să se deschidă o legătură profundă între diverse ramuri ale cunoașterii. Găsirea unor astfel de conexiuni este una dintre sarcinile principale ale cercetării științifice. Ori de câte ori este posibil să se stabilească astfel de noi conexiuni, înțelegerea lumii înconjurătoare se adâncește semnificativ, se formează noi moduri de cunoaștere care indică calea către fenomene necunoscute anterior.

Stabilirea de conexiuni profunde între diferite zone ale naturii este atât o sinteză a cunoașterii, cât și metoda noua, îndrumător Cercetare științifică pe drumuri nebătute. Astfel, identificarea de către Newton a legăturii dintre atracția corpurilor în condiții terestre și mișcarea planetelor a marcat nașterea mecanicii clasice, pe baza căreia se construiește baza tehnologică a civilizației moderne. Stabilirea unei legături între proprietățile termodinamice ale gazului și mișcarea haotică a moleculelor a pus teoria atomo-moleculară a materiei pe o bază solidă. La mijlocul secolului trecut, Maxwell a creat o teorie electromagnetică unificată care acoperea atât fenomenele electrice, cât și magnetice. Apoi, în anii 1920. Einstein a încercat să combine electromagnetismul și gravitația într-o singură teorie.

Dar pe la mijlocul secolului al XX-lea. Situația în fizică s-a schimbat radical: au fost descoperite două noi interacțiuni fundamentale - puternice și slabe. Când creați o fizică unificată, trebuie să luați în considerare nu două, ci patru interacțiuni fundamentale. Acest lucru a răcit oarecum ardoarea celor care sperau într-o soluție rapidă a problemei unității fizicii. Cu toate acestea, planul în sine nu a fost pus serios la îndoială.

În fizica teoretică modernă, punctul de vedere dominant este că toate cele patru (sau cel puțin trei) interacțiuni sunt fenomene de aceeași natură și poate fi găsită o singură descriere teoretică a acestora. Perspectiva creării unei teorii unificate a lumii elementelor fizice (bazată pe o singură interacțiune fundamentală) este cel mai înalt ideal al fizicii moderne. Acesta este visul principal al fizicienilor. Dar multă vreme a rămas doar un vis, și unul foarte vag.

Cu toate acestea, în a doua jumătate a secolului al XX-lea. existau premise pentru împlinirea unui vis și încrederea că aceasta nu era în niciun caz o chestiune de viitor îndepărtat. Se pare că în curând ar putea deveni realitate. Pasul decisiv către o teorie unificată a fost făcut în anii 1960 și 1970. odată cu crearea mai întâi a teoriei cuarcilor, iar apoi a teoriei interacțiunii electroslabe. Există motive să credem că suntem în pragul unei unificări mai puternice și mai profunde decât oricând. Există o credință tot mai mare în rândul fizicienilor că contururile unei teorii unificate a interacțiunilor puternice, slabe și electromagnetice - Marea Unificare - încep să apară. Și chiar după colț este o teorie unificată a tuturor interacțiunilor fundamentale - Supergravitația.

10.2. Clasificarea particulelor elementare

10.2.1. Caracteristicile particulelor subatomice.

În secolul al XX-lea, în special în a doua jumătate, a fost descoperit un nou strat profund al organizării structurale a materiei - lumea particulelor elementare. Acest nume nu este, totuși, exact. O particulă elementară în sensul ei precis este înțeleasă în continuare ca „cărămizi” necompuse ale materiei care alcătuiesc organizarea sa structurală. De fapt, majoritatea particulelor descoperite s-au dovedit a fi formațiuni sistemice constând din și mai multe particule elementare. Prin urmare, este mai corect să spunem că „lumea particulelor elementare este un nivel special de organizare a materiei - materie subnucleară, din formele căreia sunt structurați nucleele și atomii materiei, câmpurile fizice. Dar, deoarece termenul „particule elementare” este stabilit și utilizat pe scară largă, îl vom folosi în sensul „materiei subnucleare”.

Studiul particulelor elementare a arătat că ele se nasc și sunt distruse atunci când interacționează cu alte particule elementare. În plus, ele se pot dezintegra spontan. Toate aceste transformări ale particulelor (degradare, naștere, distrugere) se realizează prin acte succesive de absorbție și emisie de particule.

Proprietățile particulelor elementare sunt diverse. Astfel, fiecare particulă are propria antiparticulă, care diferă de ea doar prin semnul încărcăturii sale. Pentru particulele cu valori zero ale tuturor sarcinilor, antiparticula coincide cu particula (de exemplu, un foton). Fiecare particulă elementară este caracterizată de propriul set de valori ale anumitor mărimi fizice. Aceste cantități includ: masa, sarcina electrică, spin, durata de viață a particulei, momentul magnetic, paritatea spațială, sarcina leptonică, sarcina barionului etc.

Caracteristicile generale ale tuturor particulelor: masa, durata de viata, spin. Când vorbesc despre masa unei particule, se referă la masa ei în repaus, deoarece nu depinde de starea de mișcare. O particulă cu masă în repaus zero se mișcă cu viteza luminii (foton). Nu există două particule care au aceeași masă. Electronul este cea mai ușoară particulă cu o masă în repaus diferită de zero. Protonul și neutronul sunt de aproape 2000 de ori mai grele decât electronul. Și cea mai grea particulă elementară produsă în acceleratoare (bosonul Z) are o masă de 200.000 de ori mai mare decât masa unui electron.

O caracteristică importantă a unei particule este spinul - propriul moment unghiular al particulei. Astfel, un proton, neutron și electron au un spin de 1/2, iar spinul unui foton este 1. Sunt cunoscute particulele cu un spin de 0,3/2,2. O particulă cu spin 0 arată la fel în orice unghi de rotație. O particulă cu spin 1 ia aceeași formă după o rotație completă de 360°. O particulă cu spin 1/2 capătă aspectul anterior după o rotație de 720° etc. O particulă cu spin 2 (graviton ipotetic) revine la poziția anterioară după o jumătate de rotație (180°). În funcție de spin, toate particulele sunt împărțite în două grupe: bosoni - particule cu spini întregi 0, 1 și 2; fermionii sunt particule cu spin semi-întregi (1/2, 3/2). Este posibil ca particulele cu spin mai mare de 2 să nu existe deloc.

Particulele se caracterizează și prin durata de viață. Pe baza acestui criteriu, particulele sunt împărțite în stabile și instabile. Particulele stabile sunt electronii, protonii, fotonii și neutrinii. (Întrebarea stabilității protonului nu a fost încă pe deplin rezolvată. Este posibil ca acesta să se descompună în t = 1031 de ani.) Neutronul este stabil când se află în nucleul unui atom, dar un neutron liber se descompune în aproximativ 15 minute. Toate celelalte particule cunoscute sunt instabile; durata lor de viață variază de la câteva microsecunde la 10-24 s. Cele mai instabile particule sunt rezonanțe. Durata lor de viață este de 10-22—10-24 s.

Un rol major în fizica particulelor elementare îl au legile de conservare care stabilesc egalitatea între anumite combinații de mărimi care caracterizează stările inițiale și finale ale sistemului. Arsenalul legilor de conservare în fizica cuantică este mai mare decât în ​​fizica clasică. A fost completat cu legi de conservare a diferitelor parități (spațiale, de sarcină), încărcături (leptonice, barionice etc.), simetrii interne caracteristice unuia sau altuia tip de interacțiune. Mai mult, cu cât interacțiunea este mai intensă, cu atât îi corespunde mai multe legi de conservare, i.e. În plus, este simetric. În fizica cuantică, legile de conservare sunt întotdeauna legi de interdicție. Dar dacă un proces este permis de legile de conservare, atunci el are loc în mod necesar în realitate.

Punctul culminant al dezvoltării ideilor despre legile de conservare în fizica cuantică este conceptul de rupere spontană a simetriei, i.e. existenţa unor soluţii asimetrice stabile pentru anumite tipuri de probleme. În anii 1960 așa-zisa încălcare a combinatului

claritate. Cu alte cuvinte, s-a descoperit că în microcosmos există diferențe absolute între particule și antiparticule, între „dreapta” și „stânga”, între trecut și viitor (săgeata timpului, sau ireversibilitatea, a microproceselor, și nu doar a macroproceselor). ).

Izolarea și înțelegerea caracteristicilor particulelor subatomice individuale este importantă, dar numai Primul stagiu cunoasterea lumii lor. În etapa următoare, mai trebuie să înțelegem care este rolul fiecărei particule individuale, care sunt funcțiile sale în structura materiei.

Fizicienii au descoperit că, în primul rând, proprietățile unei particule sunt determinate de capacitatea (sau incapacitatea) ei de a participa la interacțiuni puternice. Particulele care participă la interacțiuni puternice formează o clasă specială și se numesc hadroni. Particulele care participă predominant la interacțiuni slabe și nu participă la interacțiuni puternice se numesc leptoni. În plus, există particule care sunt purtătoare de interacțiuni.

Să luăm în considerare proprietățile acestor tipuri principale de particule.

10.2.2. Leptoni.

Leptonii se comportă ca obiecte punctiforme, nefiind nicio structură internă chiar și la energii ultra-înalte. Ele par a fi obiecte elementare (în sensul propriu al cuvântului), adică. nu sunt formate din alte particule. Deși leptonii pot avea sau nu o sarcină electrică, toți au o rotație de 1/2.

Dintre leptoni, cel mai faimos este electronul. Electronul este prima particulă elementară descoperită. Electronul este purtătorul celei mai mici mase și a celei mai mici sarcini electrice (fără numărarea quarcilor) din natură.

Un alt lepton binecunoscut este neutrino. Neutrinii, împreună cu fotonii, sunt cele mai comune particule din Univers. Universul poate fi imaginat ca un ocean de fotoni-neutrini nemărginit, în care se găsesc ocazional insule de atomi. Dar, în ciuda prevalenței neutrinilor, aceștia sunt foarte greu de studiat. După cum am observat deja, neutrinii sunt aproape evazivi și au o putere de penetrare enormă, în special la energii scăzute. Fără a participa nici la interacțiuni puternice sau electromagnetice, ei pătrund prin materie ca și cum nu ar fi deloc acolo. Neutrinii sunt un fel de „fantome” ale lumii fizice. Pe de o parte, acest lucru complică detectarea lor, iar pe de altă parte, creează oportunitatea de a studia structura internă a stelelor, nucleelor ​​galactice, quasari etc.

Una dintre paginile interesante din istoria studiului neutrinilor este legată de problema masei lor: dacă un neutrin are sau nu o masă de repaus. Teoria permite că, spre deosebire de un foton, un neutrin poate avea o masă mică de repaus. Dacă neutrinul are într-adevăr o masă de repaus (estimată de la 0,1 eV la 10 eV), atunci aceasta implică consecințe fundamentale în teoria Marii Unificări, cosmologie și astrofizică. „Goana” fizicienilor pentru masa unei particule evazive, care se desfășoară de aproape 60 de ani, pare să se apropie de sfârșit. Există motive să credem că problema va fi rezolvată în sfârșit la noi unități experimentale (Japonia, Italia) în următorii ani.

Muonii sunt destul de răspândiți în natură, reprezentând o parte semnificativă a radiații cosmice. Muonul este una dintre primele particule subatomice instabile cunoscute, descoperită în 1936. În toate privințele, muonul seamănă cu un electron: are aceeași sarcină și spin, participă la aceleași interacțiuni, dar are o masă mai mare și este instabil. În aproximativ două milioane de secundă, muonul se descompune într-un electron și doi neutrini. Pătrunzând în materie, muonii interacționează cu nucleele și electronii atomilor și formează compuși neobișnuiți. Un muon pozitiv, atașând un electron la sine, formează un sistem similar cu un atom de hidrogen - muonium, Proprietăți chimice care este în multe privințe similare cu proprietățile hidrogenului. Iar un muon negativ poate înlocui unul dintre electronii de pe învelișul electronilor, formând așa-numitul mezoatom. Într-un mezoatom, muonii sunt localizați de sute de ori mai aproape de nucleu decât electronii. Acest lucru permite ca mezoatom să fie folosit pentru a studia forma și dimensiunea nucleului.

La sfârşitul anilor 1970. A fost descoperit un al treilea lepton încărcat, numit tau lepton. Aceasta este o particulă foarte grea. Masa sa este de aproximativ 3500 cea a unui electron, dar în toate celelalte privințe se comportă ca un electron și un muon.

Lista leptonilor sa extins semnificativ în anii 1960. S-a constatat că există mai multe tipuri de neutrini: neutrini electronici, neutrini muoni și neutrini mai. Astfel, numărul total de varietăți de neutrini este de trei, iar numărul total de leptoni este de șase. Desigur, fiecare lepton are propria sa antiparticulă; astfel numărul total de leptoni diferiți este de 12. Leptonii neutri participă doar la interacțiunea slabă; încărcat - în cel slab și electromagnetic (vezi tabel).

10.2.3. Hadroni.

Dacă există doar 12 leptoni, atunci sunt sute de hadroni. Marea majoritate dintre ele sunt rezonanțe, adică. particule extrem de instabile. Faptul că există sute de hadroni sugerează că hadronii înșiși sunt construiți din particule mai mici.

Toți hadronii se găsesc în două soiuri - încărcați electric și neutru. Cei mai faimoși și răspândiți hadroni sunt neutronul și protonul. Hadronii rămași se descompun rapid. Hadronii sunt împărțiți în două clase. Aceasta este o clasă de barioni (particule grele) (protoni, neutroni, hiperoni și rezonanțe barionice) și o mare familie de mezoni mai ușori (muoni, rezonanțe bosonice etc.).

Existența și proprietățile celor mai cunoscuți hadroni au fost stabilite în experimente cu accelerator. Descoperirea unei mari varietăți de hadroni în anii 1950 și 1960. fizicienii erau extrem de nedumeriți. Dar, de-a lungul timpului, particulele au fost clasificate după masă, sarcină și spin. Treptat, a început să iasă la iveală o imagine mai mult sau mai puțin clară. Au apărut idei specifice despre cum să sistematizați haosul datelor empirice și să dezvăluie misterul hadronilor într-o teorie științifică holistică. Pasul decisiv a fost făcut în 1963, când a fost propus modelul cuarc al hadronilor.

10.2.4. Particulele sunt purtătoare de interacțiuni.

Lista particulelor cunoscute nu se limitează la leptoni și hadroni, care formează materialul de construcție al materiei. Există un alt tip de particule care nu este material de construcții contează, dar oferă direct interacțiuni fundamentale, de ex. formează un fel de „clei” care împiedică destrămarea materiei.

Purtătorul interacțiunii electromagnetice este fotonul. Teoria interacțiunii electromagnetice este reprezentată de electrodinamica cuantică (vezi 10.3.1).

Gluonii (sunt opt ​​dintre ei) sunt purtători ai interacțiunii puternice dintre quarci. Aceștia din urmă, datorită gluonilor, sunt asociați în perechi sau tripleți (vezi 10.3.2 și 10.3.4).

Purtătorii interacțiunii slabe sunt trei particule - bozoni W± și Z° (vezi 10.3.3). Au fost descoperite abia în 1983. Raza interacțiunii slabe este extrem de mică, astfel încât purtătorii săi trebuie să fie particule cu mase mari de repaus. În conformitate cu principiul incertitudinii, durata de viață a particulelor cu astfel de masa mare odihna ar trebui să fie extrem de scurtă - doar aproximativ 10-26 s.

Se sugerează că este posibilă și existența unui purtător al câmpului gravitațional, gravitonul (vezi 10.1.2). Ca și fotonii, gravitonii călătoresc cu viteza luminii; prin urmare, acestea sunt particule cu masă în repaus zero. Dar, în timp ce un foton are un spin de 1, un graviton are un spin de 2. Această diferență importantă determină direcția forței: în interacțiunea electromagnetică, particulele încărcate similar (electronii) se resping, iar în interacțiunea gravitațională, toate particulele sunt atrase de reciproc.

Este deosebit de important ca fiecare grup al acestor purtători de interacțiune să fie caracterizat de propriile legi specifice de conservare. Și fiecare lege de conservare poate fi reprezentată ca o manifestare a unei anumite simetrii interne a ecuațiilor de câmp (mișcare). Această circumstanță este folosită pentru a construi o teorie unificată a interacțiunilor fundamentale.

Clasificarea particulelor în hadroni, leptoni și purtători de interacțiuni epuizează lumea particulelor subnucleare cunoscute de noi. Fiecare tip de particulă își joacă rolul în formarea structurii materiei, a Universului.

10.3. Teorii despre particule

10.3.1. Electrodinamica cuantică.

Mecanica cuantică ne permite să descriem mișcarea particulelor elementare, dar nu crearea sau distrugerea lor, de exemplu. este folosit doar pentru a descrie sisteme cu un număr constant de particule. O generalizare a mecanicii cuantice este teoria cuantică a câmpurilor - aceasta este o teorie a sistemelor cu un număr infinit de grade de libertate (câmpuri fizice), ținând cont atât de cerințele mecanicii cuantice, cât și ale teoriei relativității. Necesitatea unei astfel de teorii este generată de dualismul undelor cuantice, existența proprietăților undelor în toate particulele. În teoria cuantică a câmpului, interacțiunea este reprezentată ca rezultat al schimbului de quante de câmp, iar cantitățile de câmp sunt declarate de către operatori care sunt asociați cu actele de naștere și distrugere a cuantelor de câmp, i.e. particule.

La mijlocul secolului al XX-lea. a fost creată o teorie a interacțiunii electromagnetice – electrodinamica cuantică (QED). Aceasta este o teorie a interacțiunii câmpului electromagnetic și a particulelor încărcate, precum și a particulelor încărcate (în primul rând electroni sau pozitroni) între ele, gândită până la cel mai mic detaliu și echipată cu un aparat matematic perfect. Această teorie satisface atât principiile de bază ale teoriei cuantice, cât și ale relativității.

În QED, pentru a descrie interacțiunea electromagnetică, este folosit conceptul de foton virtual, care este „văzut” doar de particulele încărcate care suferă împrăștiere. Dacă în descrierea clasică electronii sunt reprezentați ca o minge punctiformă solidă, atunci în QED câmpul electromagnetic care înconjoară electronul este considerat ca un nor de fotoni virtuali care urmează neîncetat electronul, înconjurându-l cu cuante de energie. Fotonii apar și dispar foarte repede, iar electronii nu se mișcă în spațiu pe traiectorii bine definite. Este încă posibil într-un fel sau altul să se determine punctele de început și de sfârșit ale căii - înainte și după împrăștiere, dar calea în sine în intervalul dintre începutul și sfârșitul mișcării rămâne incertă.

Luați în considerare, de exemplu, actul de a emite un foton (virtual) de la un electron. După ce un electron emite un foton, acesta produce o pereche (virtuală) electron-pozitron, care se poate anihila pentru a forma un nou foton. Acesta din urmă poate fi absorbit de electronul original, dar poate genera o nouă pereche etc. Astfel, electronul este acoperit cu un nor de fotoni virtuali, electroni și pozitroni, care se află într-o stare de echilibru dinamic.

În QED, interacțiunea dintre un câmp electromagnetic și o particulă încărcată apare sub formă de emisie și absorbție de fotoni virtuali de către particulă. Și interacțiunea dintre particulele încărcate este interpretată ca rezultat al schimbului lor de fotoni: fiecare particulă încărcată emite fotoni, care sunt apoi absorbiți de o altă particulă încărcată. În plus, QED ia în considerare efecte care nu au existat deloc în electrodinamica clasică. În primul rând, acesta este efectul împrăștierii luminii de către lumină, adică. interacțiunile fotonilor între ei. Din punct de vedere QED, o astfel de împrăștiere este posibilă datorită interacțiunii fotonilor cu fluctuațiile vidului electron-pozitron. Și, în al doilea rând, QED a prezis nașterea perechilor particule-antiparticule în câmpuri electromagnetice și gravitaționale puternice, printre care ar putea exista un nucleon-antinucleon.

Testat QED pentru cantitati mari experiențe foarte subtile. Predicțiile teoretice și rezultatele testelor experimentale coincid cu cea mai mare acuratețe - uneori până la nouă zecimale. O astfel de corespondență izbitoare dă dreptul de a considera QED cea mai avansată dintre teoriile științifice naturale existente. Pentru crearea QED, S. Tomonaga, R. Feynman și J. Schwinger au primit Premiul Nobel în 1965. Remarcabilul nostru fizician teoretic L.D. a avut, de asemenea, o mare contribuție la dezvoltarea QED. Landou.

În urma acestui triumf, QED a fost adoptat ca model pentru descrierea cuantică a celorlalte trei interacțiuni fundamentale. (Desigur, câmpurile asociate cu alte interacțiuni trebuie să corespundă altor particule purtătoare.) În prezent, QED acționează ca parte integrantă a unei teorii mai generale - o teorie unificată a interacțiunilor slabe și electromagnetice (vezi 10.3.3).

10.3.2. Teoria cuarcilor.

Teoria quarcilor este o teorie a structurii hadronilor. Ideea principală a acestei teorii este foarte simplă: toți hadronii sunt construiți din particule mai mici - quarci. Quarcii poartă o sarcină electrică fracțională, care este fie -1/3, fie +2/3 din sarcina unui electron. O combinație de doi și trei quarci poate avea o sarcină totală de zero sau unu. Toți quarcii au spin 1/2, prin urmare, sunt clasificați ca fermioni. Fondatorii teoriei cuarcilor au fost Gell-Mann și Zweig, pentru a ține cont de tot ce se știa în anii 1960. hadronii, au introdus trei tipuri (arome) de quarci: și (din sus - sus), d (din jos - jos) și s (din ciudat - ciudat).

1 Termenul „quarc” a fost ales complet arbitrar. În romanul Finnegans Wake de J. Joyce, eroul are un vis în care pescărușii care se repezi peste o mare furtunoasă strigă cu voci ascuțite: „Trei quarci pentru domnul Mark!” Această abordare corespunde pe deplin naturii extrem de abstracte a conceptelor teoriilor fizice moderne.

În plus, fiecare quarc are un analog al sarcinii electrice, care servește ca sursă a câmpului gluon. Se numea culoare. Dacă câmpul electromagnetic este generat de o sarcină de un singur tip, atunci câmpul gluon mai complex este creat de trei sarcini de culoare diferite. Fiecare quarc este „colorat” într-una dintre cele trei culori posibile, care sunt (destul de arbitrar) numite roșu, verde și albastru. Și, în consecință, antiquarcii sunt anti-roșu, anti-verde și anti-albastru.

1 Ca și în cazul termenului „quarc”, termenul „culoare” aici este ales în mod arbitrar și nu are nimic de-a face cu culoarea obișnuită.

Quarcii se pot combina între ei într-unul din două moduri posibile: fie în tripleți, fie în perechi quarc-antiquarc. Particulele relativ grele – barionii – sunt formate din trei quarci; Cei mai faimoși barioni sunt neutronul și protonul. De exemplu, un proton este format din doi cuarci u și un cuarc d (uud), iar un neutron este format din doi cuarcuri d și un cuarc u (udd). Perechile quark-antiquarc mai ușoare formează particule numite mezoni. De exemplu, un mezon pi pozitiv este format dintr-un cuarc u și un cuarc d¯, iar un mezon pi negativ este format dintr-un cuarc u¯ și un cuarc d. Pentru a preveni degradarea acestui „trio” de quarci, este nevoie de o forță de reținere, un fel de „clei”. Și „încărcăturile de culoare” ale quarcilor sunt compensate colectiv, astfel încât, ca urmare, hadronii se dovedesc a fi „albi” (sau incolori).

S-a dovedit că interacțiunea dintre neutroni și protoni din nucleu este un efect rezidual al interacțiunii mai puternice dintre quarci. Aceasta a explicat de ce forța puternică părea atât de complexă și de ce quarcii liberi nu fuseseră descoperiți. Când un proton „se lipește” de un neutron sau de un alt proton, interacțiunea implică șase quarci, fiecare dintre care interacționează cu toți ceilalți. O parte semnificativă a energiei este cheltuită pentru „lipirea” fermă a unui trio de quarci, iar o mică parte este cheltuită pentru atașarea a două triouri de quarci unul la altul.

Faptul că toți hadronii cunoscuți ar putea fi obținuți din diferite combinații ale celor trei particule fundamentale a fost un triumf pentru teoria cuarcilor. Dar în anii 1970. S-au descoperit noi hadroni (particule psi, meson upsilon etc.). Aceasta a dat o lovitură gravă primei versiuni a teoriei cuarcilor, deoarece nu era loc pentru o singură particule nouă în ea. Toate combinațiile posibile de quarci și antiquarcii lor au fost deja epuizate. Problema a fost rezolvată prin introducerea a trei noi arome. Se numeau farmec (farmec), sau cu; b (de la frumusețe - frumusețe sau farmec) și t (de sus - sus).

Deci, quarkurile sunt ținute împreună ca rezultat al unei interacțiuni puternice. Purtătorii acestora din urmă sunt gluonii (încărcări de culoare). Domeniul fizicii particulelor care studiază interacțiunea dintre quarci și gluoni se numește cromodinamică cuantică. La fel cum electrodinamica cuantică este teoria interacțiunii electromagnetice, cromodinamica cuantică este teoria interacțiunii puternice (vezi 10.3.4).

În prezent, majoritatea fizicienilor consideră quarcii ca fiind particule cu adevărat elementare - punctiforme, indivizibile și fără structură internă. În această privință, ei seamănă cu leptonii și s-a presupus de mult timp că trebuie să existe o relație profundă între aceste două familii distincte, dar similare structural.

1 În 1969, s-a putut obține dovezi fizice directe ale existenței cuarcilor într-o serie de experimente privind împrăștierea electronilor (accelerați la energii înalte) de către protoni. Experimentul a arătat că împrăștierea electronilor a avut loc ca și cum electronii ar lovi incluziuni solide minuscule și au sărit de ele la cele mai incredibile unghiuri. Astfel de incluziuni solide în interiorul protonilor sunt quarci.
2 Adevărat, unii fizicieni (din moment ce numărul de quarci se dovedește a fi excesiv de mare) sunt tentați să presupună că quarcii constau din particule și mai mici.

Astfel, la sfârșitul secolului al XX-lea. cel mai probabil număr de particule cu adevărat elementare (fără a număra purtătorii interacțiunilor fundamentale) este 48: leptoni (6. 2) = 12 plus quarci (b. 3). 2 = 36. Aceste 48 de particule sunt adevăratele „blocuri” ale materiei, baza organizării materiale a lumii.

10.3.3. Teoria interacțiunii electroslabe.

Concepte de câmp de măsurare și ruperea spontană a simetriei. În anii 1960 Un eveniment remarcabil a avut loc în știința naturii: două interacțiuni fundamentale din patru din fizică au fost combinate într-una singură. Interacțiunile electromagnetice și slabe, aparent foarte diferite în natură, au apărut ca varietăți ale unei singure interacțiuni electroslăbite. Imaginea interacțiunilor fundamentale a devenit oarecum mai simplă.

Teoria interacțiunii electroslabe în forma sa finală a fost creată de doi fizicieni care lucrează independent - S. Weinberg și A. Salam. O parte integrantă a acestei teorii este teoria interacțiunii slabe, care a fost dezvoltată simultan și în strânsă legătură cu teoria interacțiunii electroslabe.

Crearea teoriei interacțiunii electroslabe a avut o influență profundă și decisivă asupra dezvoltării fizicii particulelor elementare în a doua jumătate a secolului al XX-lea. Ideea principală Această teorie a constat în descrierea interacțiunii slabe în termenii conceptului de câmp gauge, a cărui cheie este conceptul de simetrie. Trebuie remarcat mai ales aici că una dintre ideile fundamentale ale fizicii din a doua jumătate a secolului al XX-lea. este credința că toate interacțiunile există doar pentru a menține un anumit set de simetrii abstracte în natură. Dar, s-ar părea, ce legătură are simetria cu interacțiunile fundamentale? La urma urmei, la prima vedere, afirmația despre existența unei astfel de conexiuni pare exagerată, speculativă și artificială. Să luăm în considerare această problemă mai detaliat.

În primul rând, ce se înțelege prin simetrie? Este în general acceptat că un obiect este simetric dacă rămâne neschimbat după una sau alta operație de transformare. Cu alte cuvinte, în sensul cel mai general, simetria înseamnă invarianța structurii unui obiect în raport cu transformările sale. În raport cu fizica, aceasta înseamnă că simetria este invarianța unui sistem fizic (legile care îl caracterizează și cantitățile corespunzătoare) sub anumite transformări. (De exemplu, legile electricității sunt simetrice în ceea ce privește înlocuirea sarcinilor pozitive cu altele negative și invers; iar sistemele mecanice închise sunt simetrice în raport cu timpul etc.)

Rezultă că un sistem fizic în proprietățile sale esențiale este determinat de mulțimea (grupul) transformărilor sale simetrice. Dacă un grup de transformări este asociat unui anumit spațiu dotat cu o structură simetrică corespunzătoare transformărilor, atunci obiectul însuși poate fi reprezentat ca element al unui astfel de spațiu (întrucât transformările obiectului sunt în acest caz transformări ale spațiului) . În acest caz, studiul simetriilor unui obiect se reduce la studiul caracteristicilor invariante ale unui spațiu dat.

Un instrument matematic pentru analiza transformărilor simetrice este teoria grupurilor. Astfel, pentru a rezolva probleme specifice, se folosește următoarea abordare. În primul rând, ecuația specifică un spațiu vectorial. Apoi se studiază grupul de transformări invariante ale unei astfel de ecuații. Fiecare element al grupului poate fi asociat cu o transformare în spațiul vectorial al soluțiilor acestei ecuații. Cunoașterea relațiilor dintre elementele grupului și acest tip de transformare permite în multe cazuri găsirea de soluții la ecuație. Și aceasta înseamnă determinarea existenței unor proprietăți simetrice reale ale obiectului cu care un spațiu dat poate fi corelat.

1 Un grup în sensul cel mai general din matematică este înțeles ca o mulțime nevidă pe care se definește o operație algebrică binară, se definesc unitatea elementară a acestei mulțimi și elementul ei invers. (În special, în geometrie, un grup este ansamblul tuturor transformărilor ortogonale (oglindă) care combină o figură cu ea însăși.) Teoria grupurilor ca domeniu independent al matematicii a luat forma în începutul secolului al XIX-lea— Secolele XX (M.S. Lee și alții) bazate pe idei care s-au dezvoltat în secolul al XIX-lea. în teoria rezolvării ecuațiilor algebrice în radicali (N. Abel, E. Galois), „Programul Erlangen” de F. Klein, teoria numerelor (K. Gauss etc.).

Studiul simetriilor ecuațiilor din teoria câmpului a jucat un rol important în dezvoltarea teoriei cuantice relativiste. În termeni cei mai generali, astfel de simetrii sunt împărțite în externe, asociate cu proprietățile spațiu-timpului, și interne, asociate cu proprietățile particulelor elementare. Un exemplu de simetrie externă este simetria legilor obiectelor cuantice în raport cu inversiunea spațială (P), inversarea timpului (T) și conjugarea sarcinii (C), i.e. înlocuirea particulelor cu antiparticula corespunzătoare. A fost demonstrată „teorema CPT” importantă, conform căreia ecuațiile teoriei cuantice a câmpurilor nu își schimbă forma dacă sunt efectuate simultan următoarele transformări:

introduceți o particulă într-o antiparticulă, efectuați inversarea spațială (înlocuiți coordonatele particulei r cu -r), inversați timpul (înlocuiți t cu -t). Descoperirea experimentală a încălcărilor individuale ale acestei teoreme pentru interacțiuni slabe este o condiție prealabilă pentru ideea posibilității ruperii spontane a simetriilor în microcosmos în general.

Dar, pe lângă cele externe, există și simetrii interne asociate cu proprietățile particulelor în sine, și nu cu proprietățile spațiului-timp. După cum am observat deja, fiecare grup de particule este caracterizat în primul rând de propriile legi specifice de conservare. Și fiecare dintre legile de conservare este considerată ca o manifestare a unei anumite simetrii interne a ecuațiilor de câmp. Prin conectarea anumitor simetrii interne, se poate face o tranziție de la descrierea caracteristicilor unei particule la descrierea caracteristicilor alteia. Astfel, „dezactivând” legile de conservare inerente interacțiunilor electromagnetice și slabe în ecuațiile de câmp, ajungem la o identificare completă a protonului și a neuronului; ele devin indistinguibile unul de celălalt.

Printre simetriile interne ale ecuațiilor de câmp corespunzătoare legilor de conservare, simetriile gauge joacă un rol deosebit. Câteva cuvinte despre simetriile gabaritelor în general. Un sistem are simetrie gauge dacă proprietățile sale esențiale rămân neschimbate atunci când nivelul, scara sau valoarea unora cantitate fizica. De exemplu, în fizică, munca depinde de diferențele de înălțime, nu de înălțimi absolute; tensiune - din diferența de potențial, și nu din valorile lor absolute etc.

Transformările simetriei gabaritului pot fi globale sau locale. Transformările globale schimbă sistemul în ansamblu, în întregul său volum spațiu-temporal. În fizica cuantică, acest lucru se exprimă prin faptul că în toate punctele spațiu-timp, valorile funcției de undă suferă aceeași modificare. Transformările locale de gabarit sunt transformări care variază de la un punct la altul. În acest caz, funcția de undă în fiecare punct este caracterizată de propria sa fază specială, care corespunde unei anumite particule.

Analiza a arătat că în teoria câmpului cuantic transformarea globală a gabaritului poate fi transformată într-una locală. În acest caz, în ecuațiile de mișcare apare în mod necesar un termen care ia în considerare interacțiunea particulelor. Aceasta înseamnă că pentru a comunica și a menține simetria în fiecare punct din spațiu, sunt necesare noi câmpuri de forță - cele de gabarit. Cu alte cuvinte, simetria gauge presupune existența câmpurilor vector gauge, ale căror cuante se fac schimb de particule, realizând această interacțiune. Astfel, câmpurile de forță pot fi considerate ca un mijloc prin care sunt create în natură simetriile locale de gabarit inerente naturii. Semnificația conceptului de simetrie gauge este că pe baza lui toate cele patru interacțiuni fundamentale, considerate ca câmpuri gauge, sunt modelate teoretic.

Electromagnetismul are cea mai simplă simetrie gauge. Cu alte cuvinte, câmpul electromagnetic nu este doar un anumit tip de câmp de forță care există în natură, ci o manifestare a celei mai simple (compatibile cu principiile relativității speciale) simetrie gauge, în care transformările gauge corespund modificărilor potențialului de la punct. la punctul.

Doctrina electromagnetismului a evoluat de-a lungul secolelor pe baza unor cercetări empirice minuțioase, dar se dovedește că rezultatele acestor studii pot fi deduse pur teoretic, pe baza cunoașterii a doar două simetrii - cea mai simplă simetrie locală de gabarit și așa-numita Simetria Lorentz-Poincaré a teoriei speciale a relativității. Bazându-ne doar pe existența acestor două simetrii, fără a efectua un singur experiment asupra electricității și magnetismului, se pot construi ecuațiile lui Maxwell, se pot deriva toate legile electromagnetismului, se pot dovedi existența undelor radio, posibilitatea creării unui dinam etc.

Pentru a reprezenta câmpul de interacțiune slab ca un câmp gauge, a fost mai întâi necesar să se stabilească forma exactă a simetriei gauge corespunzătoare. Faptul este că simetria interacțiunii slabe este mult mai complexă decât cea a interacțiunii electromagnetice, deoarece interacțiunea slabă în sine este mai complexă. Acest lucru este ilustrat de o serie de circumstanțe. Astfel, interacțiunile slabe implică adesea particule macar patru tipuri variate(în timpul dezintegrarii unui neutron, de exemplu, neutron, proton, electron și neutrino). În plus, acțiunea forțelor slabe duce la o schimbare a naturii lor (transformarea unor particule în altele datorită interacțiunii slabe). Dimpotrivă, interacțiunea electromagnetică nu schimbă natura particulelor care participă la ea.

S-a dovedit că, pentru a menține simetria interacțiunii slabe, sunt necesare trei câmpuri de forță noi, în contrast cu un singur câmp electromagnetic. Aceasta înseamnă că trebuie să existe trei noi tipuri de particule - purtători de interacțiune, câte unul pentru fiecare câmp. Se numesc bosoni vectori grei spin-1 și sunt purtători ai forței slabe. Particulele W+ și W- sunt purtătoare a două dintre cele trei câmpuri asociate cu interacțiunea slabă. Al treilea câmp corespunde unei particule purtătoare neutre din punct de vedere electric, numită particulă Z°. Existența unei particule Z° înseamnă că interacțiunea slabă poate să nu fie însoțită de transferul de sarcină electrică.

Conceptul de rupere spontană a simetriei a jucat un rol esențial în crearea teoriei interacțiunii electroslabe. Unele sisteme fizice care au o anumită simetrie o pot pierde în cazurile în care starea simetrică este nefavorabilă din punct de vedere energetic (nu are o energie minimă), iar starea favorabilă energetic nu are simetria originală și este ambiguă. Această ambiguitate se exprimă matematic prin faptul că ecuația de mișcare a unui sistem fizic dat este reprezentată nu printr-o singură soluție, ci printr-o serie de soluții care nu au simetria originală. În cele din urmă, din această serie de soluții, se implementează una. La urma urmei, nu orice soluție la o problemă trebuie să aibă toate proprietățile nivelului său original. Și, prin urmare, particulele care sunt complet diferite la energii joase se pot dovedi de fapt a fi una și aceeași particulă la energii mari, dar în stări diferite. Astfel, ideea lui Weinberg și Salam despre simetria spontană rupe electromagnetismul unificat și forța slabă într-o teorie unificată a câmpului gauge.

Teoria Weinberg-Salam prezintă doar patru câmpuri: electromagnetice și trei câmpuri corespunzătoare interacțiunilor slabe. În această teorie, fotonii și bosonii vectori grei (W± și Z°) au o origine comună și sunt strâns legați unul de celălalt. În plus, o permanentă la nivel național

Acesta este un câmp scalar (așa-numitul câmp Higgs), cu care fotonii și bosonii vectoriali interacționează diferit, ceea ce determină diferența în masele lor. Cuantele câmpului scalar sunt particule elementare masive cu spin zero. Se numesc Higgs (numit după fizicianul P. Higgs, care le-a sugerat existența). Numărul acestor bosoni Higgs poate ajunge la câteva zeci.

1 Detectarea experimentală a bosonilor Higgs a fost raportată recent. Rezultatele acestui experiment sunt în prezent în curs de verificare.

De ce interacțiunile electromagnetice și cele slabe au proprietăți atât de diferite? Teoria Weinberg-Salam explică aceste diferențe prin ruperea simetriei. Dacă simetria nu ar fi întreruptă, atunci ambele interacțiuni ar fi comparabile ca mărime. Inițial, cuantele W și Z nu au masă, dar din cauza ruperii simetriei, unele particule Higgs fuzionează cu particulele W și Z, dându-le masa. Dar fotonul nu participă la acest proces de fuziune cu particulele Higgs și, prin urmare, nu are o masă de repaus. Ruperea simetriei implică o scădere bruscă a interacțiunii slabe, deoarece este direct legată de masele particulelor W și Z. Putem spune că interacțiunea slabă este atât de mică, deoarece particulele W și Z sunt foarte masive.

Leptonii se apropie rar de distante atât de mici (r = 10-18 m) la care schimbul de bosoni vectori grei devine posibil. Dar la energii mari (mai mult de 100 GeV), când particulele W și Z pot fi produse liber, schimbul de bozoni W și Z este la fel de ușor ca și schimbul de fotoni (particule fără masă), diferența dintre fotoni și bozoni este sters. În aceste condiții, ar trebui să existe o simetrie completă între interacțiunile electromagnetice și cele slabe - interacțiunea electroslabă.

Cea mai convingătoare verificare experimentală noua teorie a fost de a confirma existența particulelor ipotetice W și Z. Descoperirea lor în 1983 a devenit posibilă doar odată cu crearea unor acceleratoare foarte puternice cel mai nou tipși a însemnat triumful teoriei Weinberg-Salam. S-a dovedit în mod concludent că forțele electromagnetice și cele slabe sunt două componente ale unei singure forțe electroslabe.

În 1979, S. Weinberg, A. Salam și S. Glashow au fost premiați Premiul Nobel pentru crearea teoriei interacțiunii electro-slabe.

10.3.4. Cromodinamica cuantică.

Următorul pas pe calea înțelegerii interacțiunilor fundamentale este crearea unei teorii a interacțiunii puternice. Pentru a face acest lucru, este necesar să se acorde interacțiunii puternice caracteristicile unui câmp gauge. Acesta din urmă poate fi reprezentat ca urmare a schimbului de gluoni, care asigură conectarea quarcilor (în perechi sau tripleți) în hadroni (vezi 10.3.2). Schimbul de gluoni schimbă „culoarea” quarcilor, dar lasă neschimbate alte caracteristici, de exemplu. le păstrează varietatea („aroma”).

Teoria interacțiunii puternice a fost creată după aceeași schemă ca și teoria interacțiunii slabe. Cerința de simetrie locală a gabaritului (adică invarianța față de modificările „culorii” în fiecare punct din spațiu) conduce la necesitatea introducerii câmpurilor de forță compensatoare. Sunt necesare în total opt câmpuri de forță compensatoare noi. Particulele purtătoare ale acestor câmpuri sunt gluoni. Astfel, teoria implică că trebuie să existe până la opt tipuri diferite de gluoni.

Ca și fotonii, gluonii au masa de repaus zero și spin 1. Gluonii au și ei diverse culori, dar nu pur, ci amestecat; gluonii constau dintr-o „culoare” și un „anticolor” (de exemplu, albastru-anti-verde). Prin urmare, emisia sau absorbția unui gluon este însoțită de o schimbare a culorii quarcului („jocul de culori”). De exemplu, un quarc roșu, pierzând un gluon roșu-anti-albastru, se transformă într-un quarc albastru, iar un quarc verde, absorbind un gluon albastru-anti-verde, se transformă într-un quarc albastru.

Din punctul de vedere al cromodinamicii cuantice (teoria culorii cuantice), interacțiunea puternică nu este altceva decât dorința de a menține o anumită simetrie abstractă a naturii: conservarea alb toți hadronii atunci când culoarea părților lor constitutive - quarci - se schimbă. Într-un proton, de exemplu, trei quarci schimbă în mod constant gluoni, schimbându-și culoarea. Cu toate acestea, că

Aceste modificări nu sunt de natură arbitrară, ci sunt supuse unei reguli stricte: în orice moment de timp, culoarea „totală” a trei quarci trebuie să fie lumină albă, adică. suma „roșu + verde + albastru”. Acest lucru este valabil și pentru mezonii formați dintr-o pereche quark-antiquarc. Deoarece un antiquarc este caracterizat de un anticolor, o astfel de combinație este în mod evident incoloră ("alb"), de exemplu, un cuarc roșu în combinație cu un cuarc antiroșu formează un mezon incolor ("alb").

1 Leptonii, fotonii și bosonii intermediari (particule W și Z) nu poartă culoare și, prin urmare, nu participă la interacțiunea puternică).

Cromodinamica cuantică explică perfect regulile pe care le respectă toate combinațiile de quarci, interacțiunea gluonilor între ei (un gluon se poate descompune în doi gluoni sau doi gluoni se contopesc într-unul singur - de aceea apar termeni neliniari în ecuația câmpului gluonilor), interacțiunea dintre quarci și gluoni precum QED (quarci acoperiți cu nori de gluoni virtuali și perechi quarc-antiquarc), structura complexă a unui hadron constând din quarci „îmbrăcați” în nori etc.

Poate fi prematur să se evalueze cromodinamica cuantică ca o teorie definitivă și completă a interacțiunii puternice, dar statutul său experimental este destul de puternic și realizările sale sunt promițătoare.

10.3.5. Pe drumul spre Marea Unire.

Odată cu crearea cromodinamicii cuantice, a apărut speranța pentru construirea unei teorii unificate a tuturor (sau cel puțin a trei din patru) interacțiuni fundamentale. Modelele care descriu trei (puternic, slab, electromagnetic) dintre cele patru interacțiuni fundamentale într-un mod unificat se numesc modele Grand Unified.

Experiența combinării cu succes a interacțiunilor slabe și electromagnetice bazate pe ideea câmpurilor de măsurare a sugerat căi posibile pentru dezvoltarea în continuare a principiului unității fizicii, combinând fundamentale interacțiuni fizice. Una dintre ele se bazează pe informatie uimitoare, că constantele de interacțiune ale interacțiunilor electroslabe și puternice la tranziția la distanțe mici (adică la energii înalte) devin egale între ele la aceeași energie. Această energie a fost numită energia unificării. Este de aproximativ 1014-1016 GeV; ii corespunde o distanta = 10-29 cm.

La energii de peste 1014-1016 GeV, sau la distanțe mai mici de 10-29 cm, interacțiunile puternice, slabe și electromagnetice sunt descrise printr-o singură constantă, i.e. au o natură comună. Quarcii și leptonii sunt practic imposibil de distins aici, iar gluonii, fotonii și bosonii vectoriali W± și Z° sunt cuante de câmpuri gauge cu o singură simetrie gauge. La urma urmei, dacă interacțiunile electroslabe și puternice sunt de fapt doar două laturi ale Marii Forțe Unificate, atunci aceasta din urmă ar trebui să corespundă și unui câmp de măsurare cu o anumită simetrie complexă. Trebuie să fie suficient de general pentru a acoperi toate simetriile gauge conținute atât în ​​cromodinamica cuantică, cât și în teoria interacțiunii electro-slabe. În același timp, defalcarea sa spontană ar trebui să ducă la separarea interacțiunilor electroslabe și puternice. Găsirea unei astfel de simetrii este sarcina principală pentru crearea unei teorii unificate a interacțiunilor electroslăbite și puternice.

Exista abordări diferite, dând naștere la versiuni concurente ale teoriilor Marii Unificări. Cu toate acestea, toate aceste versiuni ipotetice ale Marii Uniri au un număr de aspecte comune. În primul rând, în toate ipotezele, quark-urile și leptonii - purtători ai interacțiunilor electroslabe și puternice - sunt incluși într-o singură schemă teoretică. Până acum au fost considerate obiecte complet diferite. În al doilea rând, utilizarea simetriilor abstracte de gauge duce la descoperirea de noi tipuri de câmpuri care au proprietăți noi, de exemplu capacitatea de a transforma quarcii în leptoni.

În cea mai simplă versiune a teoriei Grand Unified, sunt necesare 24 de câmpuri pentru a transforma quarcii în leptoni, iar 12 dintre cuantele acestor câmpuri sunt deja cunoscute: un foton, două particule W, o particulă Z° și opt gluoni. Cele 12 cuante rămase sunt noi bosoni intermediari supergrei, numite colectiv particule X și Y (care posedă culoare și sarcină electrică). Aceste cuante corespund câmpurilor care mențin o simetrie mai largă și amestecă quarci cu leptoni. În consecință, particulele X și Y pot transforma quarcii în leptoni (și invers).

Nu se vorbește încă despre detectarea experimentală directă a bosonilor X și Y. La urma urmei, teoriile Grand Unified se ocupă de energiile particulelor de peste 1014 GeV. Aceasta este o energie foarte mare. Este greu de spus când va fi posibil să se obțină particule cu energii atât de mari la accelerație.

comercianții cu amănuntul. Această posibilitate nu este avută în vedere în viitorul previzibil. Acceleratoarele moderne se luptă să atingă 100 GeV. Și, prin urmare, principala zonă de testare a teoriilor Marii Unificări sunt consecințele acesteia (pentru cosmologie și pentru regiunile cu energie scăzută). Astfel, fără teoriile Marii Unificări este imposibil de descris stadiul incipient al evoluției Universului, când temperatura plasmei primare a atins 10 27 K. În astfel de condiții au putut fi creați și anihilati bosonii X și Y supergrei.

În plus, pe baza teoriilor Grand Unified, sunt prezise două modele importante în regiunile cu energie scăzută care pot fi testate experimental. În primul rând, tranzițiile quark-lepton ar trebui să provoace dezintegrari de protoni. Aceasta înseamnă că este instabilă: durata de viață a unui proton ar trebui să fie de aproximativ 1031 de ani. În al doilea rând, consecința inevitabilă a acestor teorii este existența unui monopol magnetic - o particulă stabilă și foarte grea (masă de 108 protoni) care poartă un pol magnetic. Detectarea experimentală a dezintegrarii protonilor și a monopolurilor magnetice ar putea oferi un argument puternic în favoarea teoriilor Grand Unified. Eforturile experimentale vizează testarea acestor predicții. Descoperirea dezintegrarii protonilor va fi cel mai mare experiment de fizica al secolului 21! Dar încă nu există date bine stabilite în această privință.

10.3.6. Supergravitația.

Dar unificarea a trei dintre cele patru interacțiuni fundamentale nu este încă o teorie unificată în sensul deplin al cuvântului. La urma urmei, gravitația încă rămâne. Schemele teoretice care combină toate tipurile cunoscute de interacțiuni (puternice, slabe, electromagnetice și gravitaționale) se numesc modele supergravitaționale. Modelele teoretice care combină toate cele patru interacțiuni (supergravitație) se bazează pe ideea de supersimetrie, adică o astfel de tranziție de la simetria gauge globală la locală, care ar permite trecerea de la fermioni (purtători ai substratului materiei) la bozoni (purtători ai structurii materiei, purtători ai interacțiunilor) și invers.

Prin urmare, supergravitația este o teorie nu numai a purtătorilor tuturor interacțiunilor fundamentale, ci și a particulelor care alcătuiesc materia (quarci și leptoni). În supergravitație, toate sunt unite într-o singură teorie a materiei (substanță și câmp). Un model teoretic reunește 70 de particule cu spin 0; 56 de particule cu spin 1/2; 28 de particule cu spin 1; 8 particule cu spin 3/2 (au fost numite gravitino) și 1 particulă cu spin 2 (graviton). Toate aceste particule s-au format în primele momente ale Universului nostru.

Supergravitația este punctul culminant al fizicii teoretice, aceeași teorie generală și abstractă care încununează căutarea lungă și intensă și adesea dramatică a unității fizicii. La nivelul supersimetriei, este nevoie să se fundamenteze simetriile abstracte ale câmpurilor gauge. Cu alte cuvinte, apare din nou necesitatea de a fundamenta fizica cu geometrie (vezi 9.2.3), în special, de a reprezenta câmpurile de măsurare ca simetrii geometrice asociate cu dimensiuni suplimentare ale spațiului. Acest lucru a dus la renașterea ideilor despre multidimensionalitatea lumii noastre.

Apar modele de supersimetrie în care lumea noastră este privită ca spațiu-timp cu 11-dimensionale (sau 10-dimensionale, sau chiar 26-dimensionale). Din cele 11 dimensiuni, doar patru apar în lumea noastră, iar restul de 7 rămân răsucite și închise. Aceste „dimensiuni ascunse” există pe o scară de r = 10-33 cm. Pătrunderea în astfel de scale necesită energie comparabilă cu întreaga energie a Galaxiei noastre! Desigur, proiectele de a pătrunde în zone atât de mici ale lumii noastre în viitorul apropiat sunt nerealiste pentru umanitate. (Poate că sunt ireale în principiu.)

Un avantaj incontestabil și o dovadă a perspectivelor programului de supergravitație este că sub influența sa a noua abordare spre unificarea interacţiunilor fundamentale – teoria superstringurilor. În această teorie, particula este considerată ca un șir - sistem oscilator cu parametri distribuiti. La energii joase, coarda se comportă ca o particulă, iar la energii mari, parametrii care îi caracterizează vibrația trebuie introduși în descrierea mișcării coardei. Partea matematică a teoriei superstringurilor se dovedește a fi mai simplă decât în ​​teoria standard: infiniturile nedorite dispar. Una dintre consecințele cosmologice importante ale teoriei superstringurilor este posibilitatea unei multiplicări de universuri, fiecare dintre ele având propriul său set de interacțiuni fundamentale.

Deci, să rezumam câteva rezultate. Unificarea interacțiunilor fundamentale a început în esență în secolul al XIX-lea. din sinteza electricității și magnetismului în teoria câmpului electromagnetic a lui Maxwell. Încercările de a sintetiza gravitația și electromagnetismul făcute de A. Einstein în „teoria câmpului unificat” au eșuat. Dar unificarea teoretică a interacțiunilor slabe și electromagnetice a primit o confirmare de încredere în 1983 datorită detectării experimentale a bosonilor W și Z. Nu există dovezi solide care să confirme Marea Unire (dezintegrarea protonilor, existența unui monopol magnetic), dar sunt de așteptat. program de supergravitație - exemplu strălucitor modul în care teoria poate depăși semnificativ practica, experiența și posibilitățile experimentale. Dar chiar și aici ne putem aștepta la fundamentări empirice indirecte ale modelelor de supergravitație prin date din astronomia extragalactică, astrofizică și cosmologie. Astfel, fizica este în pragul creării unei teorii unificate a materiei, adică. toate interacțiunile (câmpurile) fundamentale și structura materiei. Este posibil ca deja în prima jumătate a secolului XXI. această sarcină cea mai mare din întreaga istorie a științei va fi rezolvată. Într-un anumit sens, aceasta înseamnă sfârșitul științei fizice ca cunoaștere a principiilor fundamentale ale materiei.

Adevărat, mai sunt multe probleme serioase de rezolvat pe această cale. Astfel, trebuie să verificăm existența unui număr de particule elementare care sunt prezise de teoria modernă (în primul rând bosonii Higgs). În plus, trebuie creată o teorie cuantică a gravitației, fără de care implementarea programului de supersimetrie este imposibilă. Numai odată cu crearea unei teorii cuantice a gravitației, aparent, va fi posibil să răspundem la următoarele întrebări: de ce spațiul nostru este tridimensional și timpul unidimensional? De ce există doar patru interacțiuni fundamentale și exact cele pe care le avem noi? De ce ni se oferă exact acest set de particule elementare? Cum se determină masa particulelor elementare? De ce constantele lumii au exact aceste valori și nu altele? De ce există o sarcină electrică elementară în natură și de ce depinde mărimea ei? De ce este masa neutrinilor atât de mică? si etc.

O mare parte din rezolvarea acestor probleme va depinde de capacitățile experimentelor din domeniul fizicii particulelor elementare. Acceleratoare de curent (colidere), în care se ciocnesc grupuri de particule elementare (electroni, protoni etc.) care accelerează unul spre celălalt, furnizează energia ciocnirii.

particule de aproximativ 200 GeV. Se discută proiecte de acceleratoare care măresc această energie cu 2-3 ordine de mărime. Dar posibilitățile tehnice de aici nu sunt nelimitate. Creșterea energiei necesită crearea de câmpuri energetice puternice. Și există o limită la aceasta, deoarece câmpurile foarte puternice vor distruge atomii de orice substanță; asta înseamnă că într-un astfel de câmp acceleratorul se va autodistruge! În prezent, se discută proiecte de creare a acceleratoarelor folosind nanotehnologia, care să permită regenerarea rapidă a celulelor materiale distruse de un câmp electromagnetic puternic. Implementarea unui astfel de program, dacă este posibil, este o chestiune de viitor foarte îndepărtat. Adevărat, rămâne posibil să se studieze razele cosmice (fluxuri de neutrini, gravitoni etc.) cu energie mare. Pentru a face acest lucru, trebuie să învățați cum să le înregistrați cu încredere. Cu toate acestea, alte opțiuni de dezvoltare nu pot fi excluse. fizica XXI V. Știința trebuie să fie întotdeauna pregătită pentru cotituri revoluționare. Și prin urmare, de exemplu, descoperirea de noi interacțiuni fundamentale, particule de subquarc etc. poate necesita o revizuire radicală a fizicii moderne (relativistă și cuantică), punând pe ordinea de zi problema creării unei „fizici noi” fundamentale. Zona în care Microworld se dovedește a fi conectată cu Megaworld, ultramicul cu ultramare, particula elementară cu Universul în ansamblu, fizica cu astronomia aduce o mulțime de lucruri neobișnuite și neașteptate la cunoașterea lumii fizice.
.