Unul dintre cele mai mari realizări fizica în ultimele două milenii a fost selecția și definirea celor patru tipuri de interacțiuni care guvernează universul. Toate pot fi descrise în limbajul domeniilor, pe care îl datorăm lui Faraday. Din păcate, însă, niciunul dintre cele patru tipuri nu are proprietățile complete ale câmpurilor de forță descrise în majoritatea lucrări fantastice. Să enumeram aceste tipuri de interacțiuni.

1. Gravitația. Forță tăcută care nu permite picioarelor noastre să se desprindă de suport. Nu permite Pământului și stelelor să se prăbușească, ajută la menținerea integrității. sistem solarși Galaxia. Fără gravitație, rotația planetei ne-ar arunca de pe Pământ și ne-ar arunca în spațiu cu 1.000 de mile pe oră. Problema este că proprietățile gravitației sunt exact opuse celor ale câmpurilor de forțe fantastice. Gravitația este o forță atractivă, nu respingătoare; ea este extrem de slabă – relativ, desigur; operează la distanțe mari, astronomice. Cu alte cuvinte, este aproape exact opusul barierei plate, subțiri, impenetrabile, care poate fi găsită în aproape orice roman științifico-fantastic sau film. De exemplu, o întreagă planetă - Pământul - atrage o pană pe podea, dar putem depăși cu ușurință gravitația Pământului și ridicăm pana cu un deget. Impactul unuia dintre degetele noastre este capabil să depășească forța gravitațională a unei planete întregi, care cântărește mai mult de șase trilioane de kilograme.

2. Electromagnetism (EM). Puterea care luminează orașele noastre. Lasere, radio, televiziune, electronice moderne, computere, internet, electricitate, magnetism - toate acestea sunt consecințe ale manifestării interacțiunii electromagnetice. Poate că aceasta este cea mai utilă forță pe care omenirea a reușit să o valorifice de-a lungul istoriei sale. Spre deosebire de gravitație, poate funcționa atât pentru atracție, cât și pentru repulsie. Cu toate acestea, nu este potrivit pentru rolul unui câmp de forță din mai multe motive. În primul rând, poate fi ușor neutralizat. De exemplu, plasticul sau orice alt material neconductiv va pătrunde cu ușurință într-un câmp electric sau magnetic puternic. O bucată de plastic aruncată într-un câmp magnetic va zbura liber prin ea. În al doilea rând, electromagnetismul acționează la distanțe mari, nu este ușor să-l concentrezi într-un plan. Legile interacțiunii EM sunt descrise de ecuațiile lui James Clerk Maxwell și se pare că câmpurile de forță nu sunt o soluție pentru aceste ecuații.

3 și 4. Interacțiuni nucleare puternice și slabe. Forța slabă este forța dezintegrarii radioactive, cea care încălzește miezul radioactiv al Pământului. Această forță se află în spatele erupțiilor vulcanice, cutremurelor și plăcilor continentale în derivă. Interacțiunea puternică nu permite nucleelor ​​atomilor să se prăbușească; furnizează energie soarelui și stelelor și este responsabilă pentru iluminarea universului. Problema este că forța nucleară funcționează doar la distanțe foarte mici, mai ales în nucleul atomic. Este atât de strâns legat de proprietățile nucleului în sine, încât este extrem de dificil să-l controlezi. În prezent, știm doar două moduri de a influența această interacțiune: putem sparge o particulă subatomică într-un accelerator sau putem detona o bombă atomică.

Deși câmpurile de protecție din SF nu se supun legilor cunoscute ale fizicii, există lacune care în viitor vor face posibilă crearea unui câmp de forță. În primul rând, există poate un al cincilea tip de interacțiune fundamentală pe care nimeni nu a putut să o vadă încă în laborator. S-ar putea dovedi, de exemplu, că această interacțiune funcționează numai la distanțe de la câțiva centimetri la un picior - și nu la distanțe astronomice. (Adevărat, primele încercări de a detecta al cincilea tip de interacțiune au dat rezultate negative.)

În al doilea rând, putem face ca plasma să imite unele dintre proprietățile câmpului de forță. Plasma este „a patra stare a materiei”. Primele trei stări ale materiei care ne sunt familiare sunt solide, lichide și gazoase; cu toate acestea, cea mai comună formă de materie din univers este plasma: un gaz compus din atomi ionizați. Atomii dintr-o plasmă nu sunt legați unul de celălalt și sunt lipsiți de electroni și, prin urmare, au o sarcină electrică. Ele pot fi controlate cu ușurință folosind câmpuri electrice și magnetice.

Materia vizibilă a universului există în cea mai mare parte sub formă de diferite tipuri de plasmă; Din el se formează soarele, stelele și gazul interstelar. LA viață obișnuită aproape niciodată nu întâlnim plasmă, pentru că pe Pământ acest fenomen este rar; cu toate acestea, plasma poate fi văzută. Pentru a face acest lucru, trebuie doar să priviți fulgerul, soarele sau ecranul unui televizor cu plasmă.

Există patru interacțiuni fizice principale care determină structura lumii noastre: puternic, slab, electromagnetic și gravitațional.

1. Interacțiuni puternice au loc la nivel nuclee atomiceși reprezintă atracția reciprocă a părților lor reciproce. Acţionează la distanţe de aproximativ 10 -13 cm.Una dintre manifestările interacţiunilor puternice este forte nucleare. Interacțiuni puternice au fost descoperite de E. Rutherford în 1911, simultan cu descoperirea nucleului atomic. Purtătorii interacțiunilor puternice sunt gluoni. Forțele nucleare nu depind de sarcina particulelor. În interacțiunile puternice, mărimea sarcinii este conservată.

2. Interacțiune electromagnetică De 100-1000 de ori mai slab
interacțiune puternică, dar mai lungă. caracteristice particulelor încărcate electric. Purtătorul interacțiunii electromagnetice nu are încărcare foton este cuantumul câmpului electromagnetic. În procesul de interacțiune electromagnetică, electronii și nucleele atomice sunt combinate în atomi, atomii în molecule. Interacțiunea electromagnetică este asociată cu câmpurile electrice și magnetice. Un câmp electric apare atunci când există sarcini electrice, iar un câmp magnetic apare atunci când acestea se mișcă. Diversele stări agregate ale unei substanțe, fenomenul de frecare, elasticitatea și alte proprietăți ale unei substanțe sunt determinate în principal de forțele interacțiunii intermoleculare, care prin natura sa este electromagnetică. Interacțiunea electromagnetică este descrisă de legile fundamentale ale electrostaticii și electrodinamicii: legea lui Coulomb, legea lui Ampère etc. descriere generala oferă teoria electromagnetică a lui Maxwell, bazată pe ecuații fundamentale care relaționează câmpurile electrice și magnetice.

3. Interacțiuni slabe mai slab decât electromagnetic. Raza acțiunii sale este de 10 -15 - 10 -22 cm Interacțiunea slabă este asociată cu dezintegrarea particulelor, de exemplu, cu transformările unui proton într-un neutron, pozitron și neutrin care au loc în nucleu. Neutrinul emis are o putere de penetrare extraordinară - trece printr-o placă de fier grosime de un miliard de kilometri. Cu interacțiuni slabe, sarcina particulelor se schimbă. Interacțiunea slabă nu este o interacțiune de contact, ci se realizează prin schimbul de particule grele intermediare - bozoni.

4. Interacțiune gravitațională caracteristic tuturor obiectelor materiale, indiferent de natura lor. Constă în atracția reciprocă a corpurilor și este determinată de legea fundamentală gravitatie: între două corpuri punctuale există o forță de atracție care este direct proporțională cu produsul maselor lor și invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele. Interacțiunea gravitațională determină căderea corpurilor în câmpul forțelor gravitaționale ale Pământului. Legea gravitației universale descrie, de exemplu, mișcarea planetelor sistemului solar și a diferitelor macroobiecte. Se presupune că interacțiunea gravitațională se datorează unor particule elementare - gravitonii, a cărui existență nu a fost încă confirmată experimental.

Interacțiunea gravitațională este de multe ori mai slabă decât cea electromagnetică. În teorie nu se ia în calcul. particule elementare, deoarece la distanțe caracteristice acestora de ordinul a 10 -13 cm dă efecte extrem de mici. Cu toate acestea, la distanțe ultramice (10-33 cm) și la energii ultra-înalte, gravitația devine din nou esențială. Particulele virtuale supergrele creează un câmp gravitațional vizibil în jurul lor, care distorsionează geometria spațiului. La scară cosmică, interacțiunea gravitațională este crucială. Gama sa 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. Acesta este aproximativ cel mai scurt interval de timp în care o particulă accelerată la energii mari, la o viteză apropiată de viteza luminii, trece printr-o particulă elementară cu dimensiunea de aproximativ 10 -13 cm. Modificările datorate interacțiunilor electromagnetice apar în 10-19 - 10 -21 s, și cele slabe (de exemplu, dezintegrarea particulelor elementare) - în principal 10 -10 s.

Toate cele patru interacțiuni sunt necesare și suficiente pentru construirea unei lumi diverse. Fără interacțiuni puternice, nucleele atomice nu ar exista. Fără interacțiuni electromagnetice, nu ar exista atomi, molecule, obiecte macroscopice, precum și căldură și lumină. Fără interacțiuni slabe, nu ar fi posibil reactii nucleareîn adâncurile Soarelui și stelelor, nu ar exista izbucniri de supernove și elementele grele necesare vieții nu s-ar putea răspândi în Univers. 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.

Fizica modernă a ajuns la concluzia că 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 - superputere. Cea mai izbitoare realizare a fost dovada că la temperaturi (sau energii) foarte ridicate toate cele patru interacțiuni sunt combinate într-una singură. La o energie de 100 GeV, interacțiunile electromagnetice și slabe se combină. Această temperatură corespunde temperaturii Universului la 10 -10 s după Big Bang. La o energie de 10 15 GeV, li se alătură o interacțiune puternică, iar la o energie de 10 19 GeV, toate cele patru interacțiuni se combină.

Această ipoteză este pur teoretică, deoarece nu poate fi verificată experimental. Indirect, aceste idei sunt confirmate de date astrofizice, care pot fi considerate ca material experimental acumulat de Univers.

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

Capacitatea de a interacționa este cea mai importantă și inalienabilă proprietate a materiei. Interacțiunile sunt cele care asigură unificarea diferitelor obiecte materiale ale mega-, macro- și microlumii în sisteme. Toate cunoscute stiinta moderna forțele se reduc la patru tipuri de interacțiuni, care se numesc fundamentale: gravitaționale, electromagnetice, slabe și puternice.

Interacțiune gravitațională a devenit pentru prima dată obiect de studiu al fizicii în secolul al XVII-lea. Teoria gravitației lui I. Newton, care se bazează pe legea gravitației universale, a devenit una dintre componentele mecanicii clasice. Legea gravitației universale spune: între două corpuri există o forță de atracție care este direct proporțională cu produsul maselor lor și invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele (2.3). Orice particulă materială este o sursă de influență gravitațională și o experimentează asupra ei însăși. Pe măsură ce masa crește, interacțiunile gravitaționale cresc, adică cu cât masa substanțelor care interacționează este mai mare, cu atât forțele gravitaționale acționează mai puternice. Forțele gravitației sunt forțele de atracție. LA timpuri recente fizicienii sugerează existența repulsiunii gravitaționale, care a acționat chiar în primele momente ale existenței Universului (4.2), dar această idee nu a fost încă confirmată. Interacțiunea gravitațională este cea mai slabă dintre cele cunoscute în prezent. Forța gravitațională acționează la distanțe foarte mari, intensitatea ei scade odată cu creșterea distanței, dar nu dispare complet. Se crede că purtătorul interacțiunii gravitaționale este particula graviton ipotetică. În microlume, interacțiunea gravitațională nu joacă un rol semnificativ, dar în macro- și mai ales mega-procese ea joacă un rol principal.

Interacțiune electromagnetică a devenit subiect de studiu în fizică în secolul al XIX-lea. Prima teorie unificată a câmpului electromagnetic a fost conceptul lui J. Maxwell (2.3). Spre deosebire de forța gravitațională, interacțiunile electromagnetice există doar între particulele încărcate: un câmp electric este între două particule încărcate în repaus, un câmp magnetic este între două particule încărcate în mișcare. Forțele electromagnetice pot fi atât forțe de atracție, cât și de respingere. Particulele încărcate asemănătoare se resping unele pe altele, iar particulele încărcate opus se atrag. Purtătorii acestui tip de interacțiune sunt fotonii. Interacțiunea electromagnetică se manifestă în micro-, macro- și mega-lume.

La mijlocul secolului XX. a fost creat electrodinamică cuantică- o teorie a interacțiunii electromagnetice care a satisfăcut principiile de bază teoria cuanticași teoria relativității. În 1965, autorii săi S. Tomanaga, R. Feynman și J. Schwinger au primit Premiul Nobel. Electrodinamica cuantică descrie interacțiunea particulelor încărcate - electroni și pozitroni.

Interacțiune slabă a fost descoperit abia în secolul XX, în anii 1960. construit teorie generală interacțiune slabă. Interacțiunea slabă este asociată cu dezintegrarea particulelor, astfel încât descoperirea ei a urmat numai după descoperirea radioactivității. Observând dezintegrarea radioactivă a particulelor, s-au descoperit fenomene care, se pare, contrazic legea conservării energiei. Faptul este că, în procesul de decădere, o parte din energie a „dispărut”. Fizicianul V. Pauli a sugerat că în procesul de dezintegrare radioactivă a materiei, o particulă cu o capacitate mare de penetrare este eliberată împreună cu un electron. Această particulă a fost numită mai târziu „neutrin”. S-a dovedit că, ca urmare a interacțiunilor slabe, neutronii care alcătuiesc nucleul atomic se descompun în trei tipuri de particule: protoni încărcați pozitiv, electroni încărcați negativ și neutrini neutri. Interacțiunea slabă este mult mai mică decât cea electromagnetică, dar mai mare decât cea gravitațională și, spre deosebire de acestea, se propagă pe distanțe mici - nu mai mult de 10-22 cm. De aceea, interacțiunea slabă nu a fost observată experimental mult timp. Purtătorii interacțiunii slabe sunt bosonii.

În anii 1970 a creat o teorie generală a interacțiunilor electromagnetice și slabe, numită teoria interacțiunii electro-slabe. Creatorii săi S. Weinberg, A. Salam și S. Glashow au primit în 1979 Premiul Nobel. Teoria interacțiunii electroslabe consideră două tipuri de interacțiuni fundamentale ca manifestări ale unei singure, mai profunde. Deci, la distante mai mari de 10-17 cm, predomina aspectul electromagnetic al fenomenelor, la distante mai mici atat aspectul electromagnetic cat si cel slab sunt la fel de importante. Crearea teoriei luate în considerare a însemnat că electricitatea, magnetismul și lumina, unite în fizica clasică a secolului al XIX-lea, în cadrul teoriei Faraday-Maxwell, în ultima treime a secolului al XX-lea. completată de fenomenul de interacţiune slabă.

Interacțiune puternică a fost descoperit și abia în secolul al XX-lea. Reține protonii în nucleul atomului, împiedicându-i să zboare sub influența forțelor de respingere electromagnetice. Interacțiunea puternică are loc la distanțe de cel mult 10-13 cm și este responsabilă pentru stabilitatea nucleelor. Nucleele elementelor de la sfârșitul tabelului periodic sunt instabile, deoarece raza lor este mare și, în consecință, interacțiunea puternică își pierde din intensitate. Astfel de nuclee sunt supuse dezintegrarii, care se numește radioactiv. Forța puternică este responsabilă pentru formarea nucleelor ​​atomice; doar particulele grele participă la ea: protoni și neutroni. Interacțiunile nucleare nu depind de sarcina particulelor; purtătorii acestui tip de interacțiuni sunt gluonii. Gluonii sunt uniți într-un câmp de gluoni (prin analogie cu unul electromagnetic), datorită căruia se realizează interacțiunea puternică. În ceea ce privește puterea sa, interacțiunea puternică le depășește pe celelalte cunoscute și este o sursă de energie enormă. Reacțiile termonucleare din Soare și alte stele sunt un exemplu de interacțiune puternică. Principiul interacțiunii puternice a fost folosit în crearea armelor cu hidrogen.

Teoria interacțiunii puternice se numește cromodinamica cuantică. Conform acestei teorii, interacțiunea puternică este rezultatul schimbului de gluoni, în urma căruia quarcii din hadroni sunt legați. Cromodinamica cuantică continuă să se dezvolte și, deși nu poate fi considerată încă un concept complet al interacțiunii puternice, totuși, această teorie fizică are o bază experimentală solidă.

Fizica modernă continuă să caute o teorie unificată care să explice toate cele patru tipuri de interacțiuni fundamentale. Crearea unei astfel de teorii ar însemna și construirea unui concept unificat de particule elementare. Acest proiect a fost numit „Marea Unire”. Baza convingerii că o astfel de teorie este posibilă este faptul că la distanțe scurte (mai puțin de 10-29 cm) și la energie mare (mai mult de 1014 GeV) electromagnetice, puternice și interacțiuni slabe sunt descrise în același mod, ceea ce înseamnă caracterul comun al naturii lor. Cu toate acestea, această concluzie are până acum doar un caracter teoretic; nu a fost încă posibil să o verificăm experimental.

Diverse teorii concurente ale Marii Unificări interpretează cosmologia (4.2) în moduri diferite. De exemplu, se presupune că în momentul nașterii Universului nostru existau condiții în care toate patru interacțiuni fundamentale a aparut in acelasi fel. Crearea unei teorii care să explice toate cele patru tipuri de interacțiuni pe o bază unificată va necesita o sinteză a teoriei quarcilor, cromodinamicii cuantice, cosmologiei moderne și astronomiei relativiste.

Cu toate acestea, căutarea unei teorii unificate a patru tipuri de interacțiuni fundamentale nu înseamnă că alte interpretări ale materiei sunt imposibile: descoperirea de noi interacțiuni, căutarea de noi particule elementare etc. Unii fizicieni pun la îndoială posibilitatea unei teorii unificate. Așadar, creatorii sinergeticii I. Prigogine și I. Stengers în cartea „Timp, haos, cuantum” scriu: „speranța construirii unei astfel de „teorii a tuturor” din care s-ar putea. Descriere completa realitatea fizică, va trebui să fie lăsată”, și să-și fundamenteze teza cu legile formulate în cadrul sinergeticii (7.2).

Un rol important în înțelegerea mecanismelor de interacțiune a particulelor elementare, formarea și degradarea lor l-au jucat legile de conservare. Pe lângă legile de conservare care funcționează în macrolume (legea conservării energiei, legea conservării momentului și legea conservării momentului unghiular), în fizica microcosmosului au fost descoperite altele noi: legea conservării. de barion, încărcături leptone, ciudățenie etc.

Fiecare lege de conservare este asociată cu un fel de simetrie în lumea înconjurătoare. În fizică, simetria este înțeleasă ca invarianță, invarianța unui sistem în raport cu transformările sale, adică în raport cu modificările unui număr de condiții fizice. Matematicianul german Emma Noether a stabilit o legătură între proprietățile spațiului și timpului și legile de conservare ale fizicii clasice. Teorema fundamentală a fizicii matematice, numită teorema lui Noether, afirmă că legea conservării impulsului decurge din omogenitatea spațiului, legea conservării energiei decurge din omogenitatea timpului, iar legea conservării momentului unghiular rezultă din izotropia spațiului. Aceste legi sunt fundamentale și valabile pentru toate nivelurile de existență ale materiei.

Legea conservării și transformării energiei spune că energia nu dispare și nu reapare, ci doar trece de la o formă la alta. Legea conservării impulsului postulează imuabilitatea impulsului unui sistem închis în timp. Legea conservării momentului unghiular spune că momentul unghiular al unui sistem închis rămâne neschimbat în timp. Legile de conservare sunt o consecință a simetriei, adică invarianța, invarianța structurii obiectelor materiale în raport cu transformările sau modificările condițiilor fizice ale existenței lor.

Fizică

• Traducere

Autorul articolului este Don Lincoln, un om de știință senior în laboratorul LHC Fermilab, care lucrează sub auspiciile Departamentului de Energie al SUA. El a scris recent o carte, The Large Hadron Collider: The Strange History of the Higgs Boson and Other Things That Will Blow You Away.

Știința are o relație complexă cu Internetul: știința avansează prin evaluarea atentă și atentă a datelor și teoriei, iar acest proces poate dura ani de zile. Și pe internet, capacitatea publicului de a se concentra amintește de peștele Disney Dory din desenul animat „Finding Nemo” (Și acum „Finding Dory”) - iată un meme, iată o fotografie a unei vedete ... Oh, uite - o pisică amuzantă...

Prin urmare, oamenii interesați de știința serioasă ar trebui să se ferească de informațiile postate pe Internet care pretind că sunt cercetare științifică care schimbă radical paradigma științei. Un exemplu recent este o lucrare care susține posibila descoperire a unei a cincea forțe fundamentale. Dacă ar fi așa, ar trebui să rescriem manualele.

În calitate de fizician, vreau să arunc o lumină științifică disciplinată asupra acestei afirmații.

A cincea interacțiune

Deci, ce se pretinde?

Într-un articol postat pe 7 aprilie 2015 pe arXiv, un grup de cercetători maghiari a descris studiul comportamentului unui fascicul intens de protoni pe ținte subțiri de litiu. Ciocnirile detectate au creat nuclee excitate de beriliu-8, care s-au degradat în perechi obișnuite de beriliu-8 și electron-pozitron.

Aceștia au afirmat că datele pe care le-au obținut nu pot fi explicate prin cunoscut fenomene fiziceîn Modelul Standard, care guvernează fizica modernă a particulelor. Dar explicația acestor date a fost posibilă prin existența unei particule necunoscute până acum cu o masă de 17 milioane eV, care este de 32,7 ori mai grea decât un electron, sau 2% din masa unui proton. Particulele care apar la astfel de energii, care sunt destul de scăzute conform standardelor moderne, sunt bine studiate. Și ar fi destul de neașteptat dacă s-ar descoperi unul nou acolo.

Cu toate acestea, măsurătorile au fost transferate evaluarea de specialitateși au fost publicate pe 26 ianuarie 2016 în Physical Review Letters, una dintre cele mai prestigioase reviste de fizică din lume. În această publicație, cercetătorii și studiul lor au depășit un obstacol impresionant.

Această măsurătoare a trecut neobservată până când un grup de fizicieni teoreticieni de la Universitatea din California, Irvine (UCI) a observat-o. Și așa cum fac de obicei teoreticienii cu măsurători fizice controversate, echipa le-a comparat cu lucrările existente colectate în ultima sută de ani pentru a vedea dacă noile date se potriveau cu informațiile deja adunate. În acest caz, au comparat cu o duzină de studii publicate.

Ei au descoperit că, deși măsurătorile nu intrau în conflict cu studiile anterioare, exista ceva despre ele care nu a fost văzut înainte - și ceva care nu a putut fi explicat prin Modelul Standard.

Noua platforma teoretica

Pentru a înțelege măsurătorile maghiare, acest grup de teoreticieni de la UCI a venit cu o nouă teorie.

Această teorie este foarte exotică. Ei au început cu presupunerea rezonabilă că noua particulă posibilă nu a fost explicată de teoria existentă. Acest lucru are sens, deoarece posibila nouă particulă are o masă mică și, dacă ar fi fost descrisă de legile cunoscute ale fizicii, ar fi fost găsită mai devreme. Dacă această particulă se supune noilor legi ale fizicii, poate că există o nouă interacțiune. Deoarece fizicienii vorbesc în mod tradițional despre patru forțe fundamentale cunoscute (gravitația, electromagnetismul, puternice și slabe), această nouă forță ipotetică a fost numită „a cincea”.

Istoria teoriilor și descoperirilor celei de-a cincea interacțiuni este destul de diversă, se întinde pe mai multe decenii, iar în cadrul ei au apărut noi dimensiuni și idei, pentru a dispărea ulterior. Pe de altă parte, există mistere care nu sunt explicate de fizica obișnuită - de exemplu, materia întunecată. Deși materia întunecată a fost întotdeauna modelată ca singura formă o particulă masivă stabilă care experimentează gravitația și niciuna dintre celelalte forțe cunoscute, nu există niciun motiv pentru care materia întunecată să nu participe la interacțiuni pe care materia normală nu le face. La urma urmei, materia obișnuită participă la interacțiuni la care materia întunecată nu participă, așa că nu este nimic stupid aici.

Există multe idei despre interacțiuni care afectează doar materia întunecată și toate sunt numite generic „ materie întunecată complexă„. Una dintre ideile binecunoscute vorbește despre existența unui foton întunecat care interacționează cu o sarcină întunecată purtată numai de materia întunecată. Această particulă este un analog întunecat al unui foton de materie obișnuită care interacționează cu o sarcină electrică cunoscută nouă, dar cu o excepție: unele teorii ale materiei întunecate complexe oferă fotonii întunecați au masă, spre deosebire de fotonii obișnuiți.

Dacă există fotoni întunecați, ei se pot lega de materia obișnuită (și fotonii obișnuiți) și se pot descompune în perechi electron-pozitron, care au fost investigate de un grup de oameni de știință maghiari. Deoarece fotonii întunecați nu interacționează cu sarcina electrică obișnuită, această conexiune poate apărea doar din cauza ciudatăților mecanicii cuantice. Dar dacă oamenii de știință au început să observe o creștere a perechilor electron-pozitron, aceasta poate însemna că observă fotoni întunecați.

Grupul Irvine a găsit un model care implică o particulă „protofobă”, neexclus de măsurătorile timpurii, care ar putea explica rezultatul maghiar. Particulele „protofobe”, adică „evitarea protonilor” interacționează rar sau aproape niciodată cu protonii, dar pot interacționa cu neutronii (neutrofile).

Particula propusă de grupul Irvine participă la o a cincea interacțiune, necunoscută, care apare la o distanță de 12 femtometre, sau de 12 ori dimensiunea unui proton. Particula este protofobă și neutrofilă. Masa particulei este de 17 milioane eV și se poate degrada în perechi electron-pozitron. Pe lângă explicarea experimentului maghiar, o astfel de particulă ar putea explica și unele dintre inconsecvențele găsite în alte experimente. Acesta din urmă adaugă ceva greutate acestei idei.

O interacțiune de schimbare de paradigmă?

Așa sunt lucrurile.

Ce ar putea fi adevărat? Datele sunt totul. Vor fi necesare alte experimente pentru a confirma sau infirma modificările. Tot restul este neimportant. Dar acest lucru va dura aproximativ un an și ar fi frumos să venim cu o idee în acest timp. Cel mai bun mod estimarea probabilității ca o descoperire să fie reală este un studiu al reputației cercetătorilor care au participat la experiment. Acesta este, desigur, un mod vulgar de a face știință, dar vă poate atenua așteptările.

Să începem cu grupul Irvine. Mulți dintre ei (în special directorii) sunt experți bine reputați și bine stabiliți în domeniu și au buna treaba. Vârsta grupului este diferită, sunt atât membri în vârstă, cât și tineri. Pe unii îi cunosc personal, doi dintre ei au citit părțile teoretice din capitolele cărții pe care am scris-o pentru a fi sigur că nu am spus prostii acolo (Apropo, nu au găsit greșeli, dar au ajutat la lămurire unele puncte). Acest lucru explică respectul meu pentru membrii grupului Irvine, deși m-ar putea face părtinitor. Sunt destul de sigur că munca lor de a compara noul model cu datele existente a fost minuțioasă și profesionistă. Au descoperit o regiune mică și neexplorată de posibile teorii.

Pe de altă parte, teoria în sine este mai degrabă speculativă și puțin probabilă. Aceasta nu este o propoziție - acest lucru se poate spune despre toate teoriile. La urma urmei, modelul standard care guvernează fizica particulelor este cunoscut de 50 de ani și este bine studiat. În plus, toate teoriile noi sunt speculative și puțin probabile, iar cele mai multe dintre ele sunt greșite. Nici aceasta nu este o judecată. Există multe modalități de a adăuga corecții la teoriile existente pentru a explica fenomene noi. Și nu toată lumea poate avea dreptate. Și uneori nici una dintre teoriile propuse nu se dovedește a fi corectă.

Cu toate acestea, se poate concluziona din reputația membrilor grupului cu care au venit idee nouași l-a comparat cu toate datele relevante. Faptul că și-au publicat modelul înseamnă că le-a trecut testele și a rămas o posibilitate plauzibilă, chiar dacă puțin probabilă.

Dar grupul maghiar? Nu îi cunosc personal pe niciunul dintre ei, dar articolul a fost publicat în Physical Review Letters - acesta este deja un plus pentru ei. Cu toate acestea, grupul a publicat două lucrări anterioare care au observat anomalii similare, inclusiv o posibilă particule de 12 milioane eV și o particulă de 14 milioane eV. Ambele lucrări au fost infirmate de alte experimente.

În plus, grupul maghiar nu a explicat niciodată ce a cauzat erorile din documentele respinse. Un alt semnal de alarmă este că grupul publică rareori date care să nu conțină anomalii. Acest lucru este puțin probabil. În cariera mea de cercetare, majoritatea publicațiilor au confirmat teoriile existente. Anomaliile recurente sunt foarte rare.

Deci, care este concluzia? Ar trebui să ne bucurăm de o nouă posibilă descoperire? Ei bine, desigur, posibilele descoperiri sunt întotdeauna interesante. Modelul standard a rezistat testului de 50 de ani, dar există și mistere inexplicabile, iar comunitatea științifică este mereu în căutarea unor descoperiri care indică teorii noi și nedovedite. Dar care sunt șansele ca această măsurătoare și teorie să determine comunitatea științifică să accepte existența unei a cincea forțe cu o rază de 12 fm și o particulă care evită protonii? Mi se pare că șansele sunt mici. Nu sunt optimist cu privire la idee.

Desigur, o părere este doar o părere, chiar dacă este o informație. Alte experimente vor căuta și fotoni întunecați, pentru că chiar dacă măsurătorile maghiare eșuează testul, problema materiei întunecate va exista în continuare. Multe experimente în căutarea fotonilor întunecați vor explora același spațiu de parametri (moduri de energie, masă și dezintegrare) în care, conform cercetătorilor maghiari, a fost găsită anomalia. În curând, în decurs de un an, vom ști dacă această anomalie a fost o descoperire sau o altă eroare care a agitat temporar comunitatea, pentru a fi eliminată după ce au devenit disponibile date mai precise. Dar indiferent cum se termină, va avea ca rezultat o știință îmbunătățită.

Etichete:

• a cincea interacțiune
• a cincea forță
• fizica cuantică
• model standard

Adaugă etichete