Фундоментальные взаимодействия в природе

Стабильность элементарных частиц и условность понятия «элементарная частица»

Однако большинство открытых элементарных частиц оказалось нестабильными, то есть очень короткоживущими. Стабильными являются лишь известные компоненты атома протон, нейтрон и электрон (и все их античастицы), фотон — носитель электромагнитного излучения, и наконец, нейтрино — частицы связанные с процессами слабых взаимодействий. Первоначально термин «элементарная частица» определял неделимость на отдельные составляющие или субчастицы. Однако оказалось, что большинство элементарных частиц могут распадаться на отдельные компоненты. Лишь небольшая часть известных сегодня элементарных частиц может удовлетворять первоначальному определению элементарности. В современной физике понятие «элементарная частица» употребляется в менее строгом значении, оно не подразумевает неделимость, а просто обозначает мельчайшую частицу материи.

Кварки — гипотеза о существование внутренней структуры элементарных частиц Достаточно большое число открытых адронов (наиболее тяжелых элементарных частиц) позволило высказать предположение, что все они построены из каких-то других более фундаментальных субчастиц, которые даже получили название — кварки. Эта гипотеза, выдвинутая в 1964 г. М. Гелл-Маном была подтверждена некоторыми исследованиями, однако считать ее доказанной все еще нельзя. Пока поиски кварков в свободном состоянии не принесли успеха. Предполагают, что ученые все еще не могут воссоздать необходимые для появления кварков условия (энергия разгоняемых частиц слишком мала). Тем не менее, гипотеза о существовании кварков является вполне правдоподобной и есть определенные надежды на ее подтверждение.

Сравнительный анализ фундаментальных взаимодействий Модель атома и фундаментальные взаимодействия Гравитационное взаимодействие на уровне микромира не играет существенной роли, так как (1) массы элементарных частиц чрезвычайно малы (масса электрона порядка 10−27 кг); (2) на расстояниях порядка размеров молекул и тем боле атомов и их ядер остальные типы взаимодействий способны существенно превосходить по величине гравитационное.

Простейшую модель атома можно представить как атомное ядро (протоны и нейтроны) и распределенные вокруг него электроны на удалении гораздо большем размеров самого ядра. Простейший из известных атомов (водород) включает один протон и один электрон. Нуклоны в ядре скрепляются вместе сильным взаимодействием. Электромагнитное взаимодействие обеспечивает связь ядра и электронов в атомах и молекулах, и тем самым определяет возможность устойчивого состояния атома. Это происходит потому, что электроны и атомное ядро имеют противоположный по знаку электрический заряд. Атомное ядро занимает ничтожно малую часть атома (размер атома 10−10 м, а его ядра — 10−15 м). Кулоновское отталкивание протонов (электромагнитное взаимодействие) приводит к неустойчивости ядер большой массы. Электромагнитное взаимодействие также обуславливает процессы поглощения и излучения фотонов атомами и молекулами вещества и многие другие процессы физики микрои макромира.

Явление радиоактивности Показано, что есть общие процессы превращений элементарных частиц, которые не сводятся к гравитационным, электромагнитным и сильным взаимодействиям. В частности, различают три вида радиоактивности: (-, (- и (-радиоактивные распады. При этом (-распад определяется сильным взаимодействием, (-распад — электромагнитным, а (-распад связан со слабым взаимодействием. Возможность привлечения четырех видов взаимодействий для объяснения отдельных явлений ограничивается также определенными ограничениями законами сохранения. Примеры таких законов- сохранения энергии, заряда, спина (магнитного момента), и т. п.

Сравнение констант связи четырех фундаментальных взаимодействий Каждое из четырех фундаментальных взаимодействий характеризуется своей собственной константой связи. Например, для гравитационного и электромагнитного взаимодействий ими являются G и k, соответственно (см. выше формулы гравитационной и кулоновской сил). Простое преобразование позволяет перевести эти величины к безразмерному виду. Подобным образом могут быть оценены константы связи сильного и слабого взаимодействий. Для сильного взаимодействия константа связи оказывается величиной порядка единицы. Константа связи электромагнитного взаимодействия в безразмерных единицах известна как постоянная тонкой структуры, она почти точно равна 1/137. Константа связи слабого взаимодействия в безразмерных единицах оценивается величиной порядка 10−5. Наконец, константа гравитации при переводе в безразмерную форму оценивается как 6×10−39. Таким образом, сильное взаимодействие действительно оказывается самым сильным, за ним последовательно идут электромагнитное и слабое, а замыкает список гравитационное взаимодействие.

Характерные расстояния для четырех фундаментальных взаимодействий Гравитационное и электромагнитное взаимодействия имеют сравнительной большой радиус действия. Это происходит потому, что для обоих типов сила убывает обратно пропорционально квадрату расстояния. Огромная масса Земли удерживается на орбите гравитацией Солнца, само же Солнце, как и все звезды нашей галактики, вращается вокруг некоторого центра масс галактики. Слабое и сильное взаимодействие обладают настолько малым радиусом действия, что они практически не оказывают никакого влияния вплоть до атомарных масштабов. Это означает, что для наблюдения проявлений сильного и слабого взаимодействий элементарные частицы надо в буквальном смысле слова разогнать и натолкнуть друг на друга, что, впрочем, и происходит на современных ускорительных установках. Сильное взаимодействие элементарных частиц вызывает процессы, протекающие с наибольшей по сравнению с другими процессами интенсивностью. Сильное взаимодействие приводит к самой прочной связи элементарных частиц. Именно оно удерживает протоны и нейтроны в ядрах атомов.

Объединения фундаментальных взаимодействий Термин «Великое Объединение» подразумевает объяснение различных фундаментальных взаимодействий в рамках одной теоретической модели [2,3]. В 1967 г. была создана единая теория электромагнитного и слабого взаимодействий, позднее эта теория получила название стандартной теории электрослабого взаимодействия (С.Вайнбергом, Ш. Глэшоу, А. Салам и др.). Эта модель получила надежное подтверждение в 1983 г. благодаря открытию теоретически предсказанных ранее векторных бозонов (W+, W+ и Z 0), элементарных частиц, связанных с механизмом слабого взаимодействия. Существуют также пока не подтвержденные теории об объединении электрослабого и сильного взаимодействий.

Еще более амбициозными можно считать попытки построения великого объединения всех четырех фундаментальных взаимодействий. Расчеты показывают, что возможность этого исключить нельзя, однако для экспериментальной проверки необходимо достижение высоких энергий и сверхмалых расстояний (вероятно необходимы условия, сопоставимые с самыми первыми мгновениями после Большого Взрыва). Следует отметить, что в ноябре 2007 была опубликована статья Лиси «Исключительно простая теория Всего», в которой предложен новый способ объединения всех четырех фундаментальных взаимодействий.

Заключение

Несмотря на то, что сегодня уже многое известно о фундаментальных взаимодействиях в природе, их детальные свойства все еще остаются скрытыми. По-видимому, понимание механизмов фундаментальных взаимодействий способно поднять человеческую цивилизацию на качественно иной уровень развития.

Список литературы

Бухбиндер И. Л. Фундаментальные взаимодействия // Соросовский Образовательный Журнал. 1997. № 5. с. 66−73.

Верин О. Г. Природа элементарных частиц, квантовая теория и Великое Объединение. М. Контур-М. 2005. 134 с.

Визгин В. П. Единые теории поля в первой трети XX века. М. Наука, 1985. 303 с.