4 фундаментальных взаимодействия. Пятое фундаментальное взаимодействие: правда или вымысел? Что такое фундаментальные силы

• Перевод

Автор статьи – Дон Линкольн, старший учёный в лаборатории при БАК Fermilab, работающей под эгидой энергетического департамента США. Недавно написал книгу "Большой адронный коллайдер: необычная история бозона Хиггса и другие вещи, которые вас поразят ".

У науки с интернетом сложные взаимоотношения: наука движется вперёд путём осторожной и тщательной оценки данных и теории, и этот процесс может идти годами. А в интернете способность аудитории к концентрации напоминает диснеевскую рыбку Дори из мультика «В поисках Немо» (А теперь и «В поисках Дори») – тут мем, здесь фотка звезды… Ой, смотрите – смешной котик…

Поэтому люди, интересующиеся серьёзной наукой, должны осторожно относиться к информации, выложенной в интернете, заявляющей о научном исследовании, кардинально меняющем парадигму науки. Недавний пример – статья, в которой утверждается о возможном открытии пятого фундаментального взаимодействия. Если бы это было так, нам бы пришлось переписывать учебники.

Как физик, я хочу пролить дисциплинированный научный свет на это заявление.

Пятое взаимодействие

В статье , отправленной 7 апреля 2015 года на сайт arXiv, группа венгерских исследователей описала изучение поведения интенсивного пучка протонов на тонких литиевых мишенях. Обнаруженные столкновения создавали возбуждённые ядра бериллия-8, распадавшегося на обычный беррилий-8 и пары электрон-позитрон.

Они заявили, что полученные ими данные нельзя объяснить известными физическими явлениями в Стандартной модели, заправляющей современной физикой частиц. Но объяснение этих данных было возможно при существовании неизвестной доселе частицы массой в 17 миллионов эВ, что в 32,7 раз тяжелее электрона, или составляет 2% от массы протона. Частицы, появляющиеся при таких энергиях, довольно низких по современным меркам, хорошо изучены. И было бы весьма неожиданно, если бы там была обнаружена новая.

Однако измерения перенесли экспертную оценку и были опубликованы 26 января 2016 года в журнале Physical Review Letters , одном из самых престижных журналов по физике мира. В этой публикации исследователи и их исследование преодолели впечатляющее препятствие.

Это измерение мало кто замечал до тех пор, пока на него не обратила внимание группа физиков-теоретиков из Калифорнийского университета в Ирвине (UCI). И как обычно поступают теоретики со спорными физическими измерениями, команда сравнила их с имеющимися работами, собранными за последнюю сотню лет, чтобы увидеть, соответствуют ли новые данные с уже собранной информацией. В этом случае они вели сравнение с десятком опубликованных исследований.

Они обнаружили, что хотя измерения и не конфликтуют с предыдущими исследованиями, в них наблюдается нечто, чего раньше не встречалось – и нечто, чего нельзя объяснить Стандартной моделью.

Новая теоретическая платформа

Теория эта весьма экзотична. Они начали с разумного предположения, что новая возможная частица не объясняется существующей теорией. Это имеет смысл, поскольку у возможной новой частицы малая масса, и если бы она описывалась известными законами физики, её бы нашли раньше. Если эта частица подчиняется новым законам физики, возможно, присутствует и новое взаимодействие. Поскольку традиционно физики говорят о четырёх известных фундаментальных взаимодействиях (гравитация, электромагнетизм, сильное и слабое), это новое гипотетическое взаимодействие назвали «пятым».

История теорий и открытий пятого взаимодействия довольно разнообразна, она насчитывает несколько десятилетий, и в её рамках новые измерения и идеи возникали, чтобы потом исчезнуть. С другой стороны, существуют загадки, не объясняемые обычной физикой – например, тёмная материя. Хотя тёмную материю всегда моделировали как единственную форму стабильной массивной частицы, испытывающей гравитацию и ни одну из других известных сил, нет причин, по которым тёмная материя не участвовала бы в таких взаимодействиях, в которых не принимает участие обычная. Ведь обычная материя участвует во взаимодействиях, в которых не участвует тёмная – так что тут нет ничего глупого.

Есть много идей о взаимодействиях, влияющих только на тёмную материю, и все они в общем называются "сложная тёмная материя ". Одна из известных идей говорит о существовании тёмного фотона, взаимодействующего с тёмным зарядом, переносимым только тёмной материей. Эта частица – тёмный аналог фотона обычной материи, взаимодействующего с известным нам электрическим зарядом, но с одним исключением: некоторые теории сложной тёмной материи наделяют тёмные фотоны массой, в отличие от обычных фотонов.

Если тёмные фотоны существуют, они могут связываться с обычной материей (и обычными фотонами) и распадаться на электрон-позитронные пары, которые и исследовала группа венгерских учёных. Поскольку тёмные фотоны не взаимодействуют с обычным электрическим зарядом, эта связь может возникнуть лишь благодаря причудам квантовой механики. Но если учёные начали наблюдать увеличение электрон-позитронных пар, это может означать, что они наблюдают тёмные фотоны.

Ирвинская группа нашла модель, включающую «протофобную» частицу, не исключаемую ранними измерениями, способную объяснить венгерский результат. «Протофобные», то есть «избегающие протонов» частицы, редко или почти никогда не взаимодействуют с протонами, но могут взаимодействовать с нейтронами (нейтрофильные).

Частица, предложенная ирвинской группой, участвует в пятом, неизвестном взаимодействии, проявляющемся на расстоянии в 12 фемтометров, или в 12 раз большем, чем размер протона. Частица протофобная и нейтрофильная. Масса частицы составляет 17 миллионов эВ и может распадаться на электрон-позитронные пары. В дополнение к объяснению венгерского эксперимента, такая частица могла бы объяснить и некоторые несоответствия, обнаруженные в других экспериментах. Последнее добавляет немного веса этой идее.

Взаимодействие, меняющее парадигму?

Что может оказаться правдой? Данные – это главное. Потребуются другие эксперименты, чтобы подтвердить или опровергнуть изменения. Всё остальное неважно. Но на это потребуется около года, и было бы неплохо придумать какую-нибудь идею за это время. Лучший способ оценки вероятности того, что открытие окажется настоящим, это изучение репутации исследователей, участвовавших в эксперименте. Это, конечно, вульгарный способ заниматься наукой, но он может приглушить ваши ожидания.

Начнём с ирвинской группы. Многие из них (особенно руководители) имеют хорошую репутацию и являются устоявшимися экспертами в области, и у них в резюме есть хорошие работы. Возраст группы разный, есть и пожилые, и молодые участники. Некоторых из них я знаю лично, двое из них читали теоретические части в главах книги, которую я написал, чтобы удостовериться в том, что я не наговорил там глупостей (Кстати, ошибок они не нашли, но помогли прояснить некоторые моменты). Это объясняет моё уважение к членам ирвинской группы, хотя, возможно, и делает меня предвзятым. Я практически уверен в том, что их работа по сравнению новой модели с существующими данными была тщательной и профессиональной. Они обнаружили небольшой и неисследованный регион возможных теорий.

С другой стороны, сама теория довольно умозрительная и маловероятная. Это не приговор – так можно сказать про все теории. Ведь Стандартная модель, управляющая физикой частиц, известна уже 50 лет и хорошо изучена. Кроме того, все новые теории умозрительные и маловероятные, и большинство из них неверны. Это тоже не приговор. Есть много способов добавить исправления к существующим теориям, чтобы объяснить новые явления. И все не могут быть верны. А иногда ни одна из предлагаемых теорий не оказывается верной.

Однако, можно заключить, исходя из репутации членов группы, что они придумали новую идею и сравнили её со всеми имеющими к ней отношение данными. То, что они опубликовали свою модель, означает, что она прошла их тесты, и осталась правдоподобной, пусть и маловероятной, возможностью.

Что насчёт венгерской группы? Никого из них я не знаю лично, но статью напечатали в Physical Review Letters – это уже идёт им в плюс. Однако эта группа публиковала две предыдущих работы, в которых наблюдались схожие аномалии, включая возможную частицу массой в 12 миллионов эВ, и частицу массой в 14 миллионов эВ . Обе работы были опровергнуты другими экспериментами.

Далее, венгерская группа так и не объяснила, что послужило причинами ошибок в опровергнутых работах. Ещё один звоночек – то, что группа редко публикует данные, не содержащие аномалий. Это маловероятно. В моей исследовательской карьере большинство публикаций подтверждали существующие теории. Повторяющиеся аномалии очень редки.

Так что в итоге? Надо ли радоваться новому возможному открытию? Ну, конечно, возможные открытия – это всегда интересно. Стандартная модель выдерживала проверки 50 лет, но есть и необъяснённые загадки, и научное сообщество всегда ищет открытия, указывающие на новые и недоказанные теории. Но каковы шансы, что это измерение и теория приведут к тому, что научное сообщество примет существование пятого взаимодействия с радиусом действия в 12 фм и частицу, остерегающуюся протонов? Мне кажется, шансов мало. Я не отношусь к идее оптимистически.

Конечно, мнение – это всего лишь мнение, пусть и информирование. Другие эксперименты также будут искать тёмные фотоны, поскольку даже если венгерские измерения не пройдут проверки, проблема тёмной материи будет существовать. Многие эксперименты в поисках тёмных фотонов будут изучать то же пространство параметров (энергию, массу и режимы распада), в которых, по заявлению венгерских исследователей, и найдена аномалия. Скоро, в течение года, мы узнаем, была ли эта аномалия открытием или же ещё одним глюком, временно взбудораживших сообщество, чтобы затем быть отброшенным после получения более аккуратных данных. Но неважно, чем это закончится – всё равно результатом этого будет улучшенная наука.

Теги:

• пятое взаимодействие
• fifth force
• квантовая физика
• стандартная модель

• 2.2 Слабое взаимодействие
• 5 Фундаментальные взаимодействия в природе - Итог

1 Фундаментальные взаимодействия существующие в природе

1.1 Электромагнитные фундаментальные взаимодействия

1.2 Гравитационные фундаментальные взаимодействия

2 Вымышленные фундаментальные взаимодействия

2.1 Сильное взаимодействие - сказочное фундаментальное взаимодействие сказочных кварков

2.2 Слабое взаимодействие

2.3 Электромагнитное взаимодействие

2.4 Электрослабое взаимодействие - пятое сказочное фундаментальное взаимодействие

3 Фундаментальные взаимодействия в рамках квантовой теории

4 Создание единой теории фундаментальных взаимодействий

Первой из теорий взаимодействий стал закон всемирного тяготения, выведенный Исааком Ньютоном и опубликованный в 1687 году в труде «Математические начала натуральной философии». Введение Пуассоном в 1813 году понятия гравитационного потенциала и уравнения Пуассона для гравитационного потенциала позволило исследовать гравитационное поле при произвольном распределении вещества. После этого закон всемирного тяготения стал рассматриваться как фундаментальный закон природы, а гравитационное взаимодействие (после 1863 года) как одно из фундаментальных взаимодействий природы. Но это было сделано задолго до открытия физикой строения вещества и элементарных частиц.

Второй из теорий взаимодействий стала теория электромагнетизма, созданная Максвеллом в 1863 году.

В 1915 году, Эйнштейн сформулировал общую теорию относительности (ОТО), описывающую гравитационное поле. В физике появилась идея построения единой теории двух фундаментальных взаимодействий, подобно тому, как Максвеллу удалось создать общее описание электрических и магнитных явлений. По мнению физиков, такая единая теория объединила бы гравитацию (ОТО) и электромагнетизм в качестве частных проявлений некоего единого взаимодействия.

В течение первой половины XX века ряд физиков предприняли многочисленные попытки создания такой теории на фундаменте из ОТО и теории электромагнетизма Максвелла, но эти попытки не дали положительного результата, поскольку общая теория относительности и теория электромагнетизма различны по своей сути. Тяготение (в рамках ОТО) описывается искривлением пространства-времени, и в этом смысле гравитационное поле нематериально, в то время как электромагнитное поле проявляет все необходимые атрибуты материи. - Возможно они строили будущую теорию не на том фундаменте?

Во второй половине XX столетия задача построения единой теории фундаментальных взаимодействий значительно усложнилась введением не существующих в природе (но тогда об этом физика еще НЕ знала) гипотетических слабого и сильного взаимодействий, а также необходимостью квантования теории. – Физика стала развиваться в тупиковом направлении.

В 1967 году Салам и Вайнберг придумали теорию электрослабого взаимодействия, объединив (по их мнению) электромагнетизм и гипотетические слабые взаимодействия. Позднее в 1973 году была предложена теория гипотетического сильного взаимодействия (квантовая хромодинамика). На их основе была построена модель кварков, которая в последующем трансформировалась в Стандартную модель элементарных частиц (прихватив лептоны, не вписавшиеся в кварковую модель элементарных частиц), описывающую (по ее мнению) гипотетическое электромагнитное, гипотетическое слабое и гипотетическое сильное взаимодействия.

Таким образом, до последнего времени, фундаментальные взаимодействия описывались двумя общепринятыми теориями: общей теорией относительности и Стандартной моделью. Их объединения достичь не удалось из-за трудностей (как считалось) создания квантовой теории гравитации. – Физика окончательно зашла в квантовый ТУПИК, что и должно было произойти. Но быть общепринятой - это не значит быть ВЕРНОЙ. Последнее относится к Стандартной модели - модели сказочных кварков, сказочных глюонов и сказочных фундаментальных (сильного и слабого) взаимодействий. Попытка объединить научную теорию со СКАЗКАМИ ведет к вырождению самой НАУКИ. Подлинная НАУКА ограничена только ПРАВДОЙ, а математические СКАЗКИ могут утверждать все, что придет в голову их сторонникам и выдавать этот вымысел за действительность. Выдумать можно все, но где хотя-бы один найденный в природе кварк или глюон (сказки о якобы обнаруженных следах не предлагать), и как может создавать массу во Вселенной частица, живущая менее 0.000001 секунды, для создания которой не хватает энергии термоядерного синтеза звезд: значит звезды не могут массово поставлять в природу эту нестабильную частицу, неспособную даже долететь до ближайшей планеты (она способна пролететь лишь несколько метров до своего распада), массу которой она якобы создает, вместе с массой других планет, комет и астероидов. В природе существовала масса до создания из энергии на ускорителе частицы, названной "бозоном Хиггса", а когда созданная разумными существами на ускорителе частица очень быстро распалась (именно по двухфотонному распаду и обнаружили на ускорителе новую частицу), масса во Вселенной никуда не исчезла. Математика способна нарисовать любую, самую восхитительную математическую модель, но только природа и ее законы (такие нелюбимые математическими сказками) решают чему быть. Вот мы и наблюдаем непрекращающийся поток математических сказок, замалчивающий подлинные научные данные, и выдающий себя за высшее достижение науки. Но что-то я не помню, чтобы Альфред Нобель в своем завещании разрешил выдавать премии его именем за МАТЕМАТИЧЕСКИЕ СКАЗКИ.

Сегодня в 21 веке, физика знает значительно больше о строении вещества и элементарных частиц, из которых состоят атомы и молекулы, а также убедилась в ошибочности квантовой «теории» и в отсутствии в природе вымышленных сильного, слабого и электрослабого взаимодействий. Физика 21 века подтвердила один из постулатов ОТО, что гравитационные и инертные силы имеют одну и ту же природу и эта природа электромагнетизм (см. Теория гравитации элементарных частиц, часть 2), но она также установила, что гравитационное поле, для ОТО, не могут создавать элементарные частицы вещества Вселенной (гравитационное поле есть продукт электромагнетизма, а не некоторое самостоятельное абстрактное понятие, и гравитационное поле элементарной частицы не может сжать электромагнитное поле его породившее в сказочную "черную дыру" ), а в уравнениях электромагнетизма Максвелла еще чего-то не хватает - уравнения Максвелла не описывают одиночную электромагнитную волну: ФОТОН, а также вводят заряды и токи, которых внутри элементарных частиц НЕТ, поскольку постоянные электрические и магнитные поля элементарных частиц ДИПОЛЬНЫЕ.

Не менее пострадала и Квантовая механика, лишившаяся виртуальных частиц и Квантовой "теории" с множеством ее математических сказок. У физики 21 века имеются вопросы и к волновой функции квантовой механики, точнее, к ее физическому смыслу. Если в случае вращения электрона в атоме, квадрат модуля волновой функции (Ψ) определял вероятность (dP) пребывания электрона в данной точке (элементарном объеме dv) пространства, т.е.

dP=|Ψ| 2 dv

то в случае пространства внутри самого электрона, или другой элементарной частицы с отличной от нуля массой покоя, это бессмысленно – элементарная частица в данной области пространства присутствует, и в соседних областях присутствует тоже и одновременно. В тех областях пространства, в которых напряженность электрического (E) или напряженность магнитного (H) полей (как постоянных, так и переменных) элементарной частицы отлична от нуля – во всех них присутствует элементарная частица. А поскольку постоянные электромагнитные поля элементарных частиц распространяются на бесконечность, то, следовательно: в каждом элементарном объеме пространства одновременно присутствуют электромагнитные поля огромного числа элементарных частиц, даже если их поблизости нет. Как видим, внутри элементарной частицы волновая функция утратила свой общепринятый физический смысл , чего нельзя сказать о классической электродинамике. Ведь именно Классическая электродинамика, совместно с формулой Эйнштейна, позволяют определить массу покоя элементарной частицы:
где определенный интеграл берется по всему пространству, занятому элементарной частицей.

Тогда что отражает волновая функция внутри электрона (или другой элементарной частицы)? - Внутри элементарной частицы (кроме фотона) вращается волновое переменное электромагнитное поле, уравнения которого физике еще предстоит найти, а также имеются постоянные дипольные электромагнитные поля. А причем тут волновая функция – возможно она могла бы как-то отражать волновые процессы, а насчет всего остального, это большой вопрос. Квадрат модуля волновой функции (несмотря на ее нормировку) не может указать, какая часть элементарной частицы сосредоточена в элементарном объеме, поскольку у элементарных частиц имеются и постоянные электромагнитные поля, выходящие за рамки волновых процессов. А вот сочинять математические сказки очень хорошо получается.

Зато у классической электродинамики аналогичная задача не вызвала затруднений. Введем, аналогично квантовой механике:

Соответственно:
Не правда ли интересно. Мы просто разделили плотность электромагнитной энергии элементарной частицы на всю ее электромагнитную энергию – осуществили нормировку, и получили: какая часть (ω) электромагнитной энергии элементарной частицы (а значит – какая часть элементарной частицы) сосредоточена в элементарном объеме пространства dV . И зачем тут квантовая механика c ее математическими абстракциями и волновой функцией, отражающей неизвестно что, когда классическая электродинамика прекрасно справилась самостоятельно, да и физика работает.

Сегодня утверждения Квантовой механики не могут рассматриваться физикой в качестве неоспоримой истины и нуждаются в экспериментальных доказательствах - тем самым Квантовая механика утратила в физике 21 века свое былое всемогущество .

5 Фундаментальные взаимодействия в природе - Итог

Владимир Горунович

Известны четыре основных физических взаимодействия, которые определяют структуру нашего мира: сильные, слабые, электромаг­нитные и гравитационные.

1. Сильные взаимодействия происходят на уровне атомных ядер и представляют собой взаимное притяжение их взаимных частей. Действуют на расстояниях примерно 10 -13 см. Одно из проявлений сильных взаимодействий - ядерные си­лы . Сильные, взаимодействия открыты Э. Резерфордом в 1911 году одновременно с открытием атомного ядра. Переносчиками сильных взаимодействий являются глюоны . Ядерные силы не зависят от заряда частиц. В сильных взаимодействиях ве­личина заряда сохраняется.

2. Электромагнитное взаимодействие в 100-1000 раз слабее
сильного взаимодействия, но более дальнодействующее. Свойственно электрически заряженным частицам. Носителем электромагнитного взаимодействия является не имеющий заряда фотон – квант электромагнитного поля. В процессе электромагнитного взаимодействия электроны и атомные ядра соединяются в атомы, атомы – в молекулы. Электромагнитное взаимодействие связано с электрическими и магнит­ными полями. Электрическое поле возникает при наличии электрических за­рядов, а магнитное поле - при их движении. Различные агрегатные состояния вещества, явление трения, упругие и другие свойства вещества определяются преиму­щественно силами межмолекулярного взаимодействия, которое по своей природе является электромагнитным. Электромагнитное взаимодействие описывается фундаментальными законами электростатики и электродина­мики: законом Кулона, законом Ампера и др. Его наиболее общее описание дает электромагнитная теория Максвелла, основанная на фундаментальных уравнениях, связывающих электрическое и магнитное поля.

3. Слабые взаимодействия слабее электромагнитного. Радиус его действия 10 -15 - 10 -22 см. Слабое взаимодействие связано с распадом частиц, например, с происходящими в ядре превращениями протона в нейтрон, позитрон и нейтри­но. Испускаемое нейтрино обладает огромной проницающей спо­собностью - оно проходит через железную плиту толщиной милли­ард километров. При слабых взаимодействиях меняется заряд частиц. Слабое взаимодействие представляет собой не контактное взаимодействие, а осуществляется путем обмена промежуточны­ми тяжелыми частицами - бозонами .

4. Гравитационное взаимодействие характерно для всех материальных объ­ектов вне зависимости от их природы. Оно заключается во взаимном притя­жении тел и определяется фундаментальным законом всемирного тяготения: между двумя точечными телами действует сила притяжения, прямо пропор­циональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними. Гравитационным взаимодействием определяется падение тел в поле сил тяготения Земли. Законом всемирного тяготения опи­сывается, например, движение планет Солнечной системы и различных мак­рообъектов. Предполагается, что гравитационное взаимодействие обуслов­ливается некими элементарными частицами - гравитонами , существование которых к настоящему времени экспериментально не подтверждено.

Гравитационное взаимодействие во много раз слабее электромагнитного. Оно не учитывается в теории элементарных частиц, поскольку на характерных для них расстояниях порядка 10 -13 см дает чрезвычайно малые эффекты. Однако на ультрамалых расстояниях (10-33 см) и при ультрабольших энергиях гравитация вновь приобретает существенное значение. Сверхтяжелые виртуальные частицы создают вокруг себя заметное гравитационное поле, которое искажает геометрию пространства. В космических масштабах гравитационное взаимодействие имеет решающее значение. Радиус его действия не ограничен.

От силы взаимодействия зависит время, в течение которого совершается превращение элементарных частиц. Ядерные ре­акции, связанные с сильными взаимодействиями, происходят в течение 10 -24 - 10 -23 с. Это приблизительно тот кратчайший интервал времени, за который частица, ускоренная до высоких энергий, до скорости, близкой скорости света, проходит через элементарную частицу размером порядка 10 -13 см. Изменения, обусловленные электромагнитными взаимодействиями, осуще­ствляются в течение 10-19 - 10 -21 с, а слабыми (например, рас­пад элементарных частиц) - в основном 10 -10 с.

Все четыре взаимодействия необходимы и достаточныдля построения разнообразного мира. Без сильных взаимодействий не существовали бы атомные ядра. Без электромагнитных взаимодействий не было бы ни ато­мов, ни молекул, ни макроскопических объектов, а также тепла и света. Без слабых взаимодействий не были бы возможны ядерные реакции в недрах Солнца и звезд, не происходили бы вспышки сверхновых звезд и необходимые для жизни тяжелые элементы не могли бы распространиться во Вселенной. Без гравитационного взаимодействия не только не было бы галактик, звезд, планет, но и вся Вселенная не могла бы эво­люционировать, поскольку гравитация является объединяющим фактором, обеспечивающим единство Вселенной как целого и ее эволюцию.

Современная физика пришла к выводу, что все четыре фун­даментальных взаимодействия, необходимые для создания из элементарных частиц сложного и разнообразного материаль­ного мира, можно получить из одного фундаментального взаи­модействия - суперсилы. Наиболее ярким достижением стало доказательство того, что при очень высоких температурах (или энергиях) все четыре взаимодействия объединяются в одно. При энергии в 100 ГэВ объеди­няются электромагнитное и слабое взаимодействия. Такая тем­пература соответствует температуре Вселенной через 10 -10 с после Большого взрыва. При энергии 10 15 ГэВ к ним присое­диняется сильное взаимодействие, а при энергии 10 19 ГэВ про­исходит объединение всех четырех взаимодействий.

Это предположение носит чисто теоретический характер, поскольку экспериментальным путем его проверить невозмож­но. Косвенно эти идеи подтверждаются астрофизическими данными, которые можно рассматривать как эксперименталь­ный материал, накопленный Вселенной.

Сегодня мне хочется рассказать Вам о фундаментальных силах или взаимодействиях. Вы узнаете, что это вообще такое, сколько их и зачем они нужны.

Ну что, поехали!

Что такое фундаментальные силы?

В нашей Вселенной существует множество физических сил и взаимодействий. Например, сила трения, ядерные реакции и химические связи. Но все они вторичны, кроме неких четырёх взаимодействий. Их и называют "фундаментальными". Они являются типами взаимодействия элементарных частиц и определяют все остальные силы в природе.

В самом начале жизни Вселенной было одно фундаментальное взаимодействие. Но так продлилось недолго. Уже к концу первой секунды после единая фундаментальная сила разделилась на четыре отдельных взаимодействия: сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное. Рассмотрим их всех.

Сильное взаимодействие.

Вы никогда не задумывались, почему атомы большинства химических элементов стабильны? Казалось бы, что тут сложного. Однако, в 30-х годах прошлого века, поиск ответа на данный вопрос заставил учёных попотеть.

Из школьного курса физики и химии Вам наверняка известно, что атом состоит из двух частей: ядра и вращающихся вокруг него электронов. Ядро, в свою очередь, состоит из "нуклонов" - протонов и нейтронов.

Атом электрически нейтрален. Но в его ядре есть только положительно и нейтрально заряженные частицы - протоны и нейтроны. Общеизвестно, что притягиваться друг к другу могут только разноимённо заряженные тела - иными словами, "плюс" к "минусу". Следовательно, протоны и нейтроны должны отталкиваться друг от друга. Однако в реальности атомы ядра таки существуют и в ус не дуют. В чём же причина?

"Может быть, всё дело в гравитации?" - подумали тогда физики. Оказалось, что нет. Гравитационное взаимодействие, будучи самым слабым из всех, не могло бы противостоять электромагнитным силам.

Значит, существует некая достаточно мощная сила, связывающая нуклоны в стабильные атомы ядра. Её и называют "сильным взаимодействием". Впоследствии выяснилось, что оно также связывает кварки (представителей одной из групп фундаментальных частиц) в составные частицы под названием "адроны" - например, те же протоны и нейтроны.

В сильном взаимодействии участвуют кварки, адроны и глюоны. Глюоны не обладают массой и являются переносчиками сильного взаимодействия. Ими обмениваются кварки и тем самым реализуют эту фундаментальную силу.

Сильное ядерное взаимодействие является самым мощным в природе. Оно в тысячу раз сильнее электромагнитного и в 100.000 раз - "слабого ядерного", а гравитацию превосходит по мощи аж в 10 39 (10 в 39 степени) раз.

Сильное взаимодействие жестокое - из-за него учёные не могут наблюдать кварки в свободном состоянии. Эти бедные частицы навеки заключены в адроны. Оказалось, что чем дальше кварки друг от друга, тем сильнее они притягиваются. Поэтому данные частицы никогда не наблюдаются одиноко блуждающими по пространству и существуют только в адронах.

Электромагнетизм.

В электромагнитном взаимодействии участвуют все тела и частицы, которые обладают электрическим зарядом. Однако, есть и исключения - могут участвовать нейтральные частицы, но состоящие из заряженных. Ярким примером является нейтрон. Он обладает нейтральным зарядом, но состоит из заряженных кварков.

Электромагнитное взаимодействие осуществляется между заряженными частицами посредством электромагнитного поля. Его квантом (фундаментальной частицей) является фотон - по совместительству, тролль всея мироздания.

Электромагнетизм и заключается в том, что заряженные частицы взаимодействуют друг с другом, обмениваясь фотонами.

Электромагнитные силы появляются в виде сил и притяжения (тело с положительным зарядом притягивается к отрицательно заряженному), и отталкивания.

Данное взаимодействие играет очень важную роль в природе за счёт своего взаимодействия. Оно определяет структуру молекул (химические связи) и электронных оболочек в атомах. Поэтому к электромагнетизму сводится очень много вещей.

Большинство привычных физических сил, которые рассматривает "классическая механика" Ньютона - сила трения, упругости, поверхностного натяжения и т.д. - имеют электромагнитную природу.

Электромагнитные силы также определяют большую часть физических свойств тел макромира, а также их изменение при переходе из одного агрегатного состояния в другое. Данное взаимодействие лежит в основе электрических, магнитных, оптических и химических явлений.

Слабые ядерные силы.

Слабое взаимодействие проявляется на расстояниях, значительно меньше атомного ядра. Оно слабее двух вышеописанных фундаментальных сил, но сильнее гравитации.

В слабых ядерных силах участвуют две группы фундаментальных частиц (лептоны и кварки) и адроны. В процессе слабого взаимодействия частицы обмениваются "переносчиками" - W- и Z-бозонами, которые довольно массивны, в отличие от безмассовых глюонов и фотонов.

Слабые ядерные силы играют важную роль в природе. Протекание термоядерных реакций в звёздах обусловлено именно данным взаимодействием. Иными словами, благодаря слабым ядерным силам горит Солнце и другие газовые светила.

Но это ещё не всё. Слабое взаимодействие ответственно за бета-распад атомных ядер. Данный процесс является одним из трёх видов радиоактивности. Он заключается в испускании ядром "бета-частиц": электронов или позитронов.

Благодаря слабому взаимодействию происходит т.н. "слабый распад". Это когда массивные частицы разделяются на более лёгкие. Важным частным случаем является распад нейтрона - он способен превратится в протон, электрон и антинейтрино.

Гравитация.

Универсальное фундаментальное взаимодействие. Ему подвержены все материальные тела - от элементарных частиц до громадных галактик. Данная фундаментальная сила является самой слабой из всех и выражается стремлением материальных тел друг к другу - притяжением.

Гравитация является дальнодействующей силой и управляет наиболее глобальными процессами во Вселенной. Благодаря ей звёзды и их скопления сгруппировались в галактики. Благодаря ей в туманностях формируются газовые светила, холодные куски камня в космосе группируются в планеты, а мячик, брошенный Вами вверх, обязательно упадёт вниз.

Гравитация морочит головы физиков уже несколько десятилетий. Она является предметом многолетнего конфликта двух основных физических теорий: квантовой механики и теории относительности. Но почему?

Дело в том, что общая теория относительности и квантовая физика построены на разных принципах и описывают данную фундаментальную силу по-разному.

Эйнштейн объяснил гравитацию как искривление самого пространства-времени из-за масс материальных тел. А квантовая физика "квантует" её - описывает как взаимодействие, у которого есть свои частицы-переносчики. Их называют "гравитонами".

В квантовой механике пространство-время не представлено "динамической переменной", т.е. не зависит от находящихся в нём тел и систем. А это вразрез идёт с теорией относительности.

Но что самое удивительное - несмотря на принципиальные различия, все эти две теории доказаны экспериментально. Квантовая механика прекрасно описывает микромир, а теория относительности - Вселенную в макроскопических масштабах.

Сейчас идут попытки объединить релятивистскую и квантовую физику и беспроблемно описать гравитацию. Тогда будет построена "теория всего", и главным кандидатом на получение данного титула является "теория струн", запутанная в край своими 11-ю измерениями.

Ну вот и всё!

Что такое фундаментальные взаимодействия?

1.1. Гравитация.

1.2. Электромагнетизм.

1.3. Слабое взаимодействие.

1.4. Проблема единства физики.

2. Классификация элементарных частиц.

2.1. характеристика субатомных частиц.

2.2. лептоны.

2.3. Адроны.

2.4. Частицы – переносчики взаимодействий.

3. Теории элементарных частиц.

3.1. Квантовая электродинамика.

3.2. Теория кварков.

3.3. Теория электрослабого взаимодействия.

3.4. Квантовая хромодинамика.

3.5. На пути к великому объединению.

Список литературы.

Введение.

В середине и второй половине ХХ века в тех разделах физики, которые заняты изучением фундаментальной структуры материи, были получены поистине удивительные результаты. Прежде всего это проявилось в открытии целого множества новых субатомных частиц. Их обычно называют элементарными частицами, но далеко не все из них действительно элементарны. Многие из них в свою очередь состоят из еще более элементарных частичек. Мир субатомных частиц поистине многообразен. К ним относятся протоны и нейтроны, составляющие атомные ядра, а также обращающиеся вокруг ядер электроны. Но есть и такие частицы, которые в окружающем нас веществе практически не встречаются. Время их жизни чрезвычайно мало, оно составляет мельчайшие доли секунды. По истечении этого чрезвычайно короткого времени они распадаются на обычные частицы. Таких нестабильных короткоживущих частиц поразительно много: их известно уже несколько сотен. В 60-70-е годы физики были совершенно сбиты с толку многочисленностью, разнообразием и необычностью вновь открытых субатомных частиц. Казалось, им не будет конца. Совершенно непонятно, для чего столько частиц. Являются ли эти элементарные частицы хаотическими и случайными осколками материи? Или, возможно, они таят в себе ключ к познанию структуры Вселенной? Развитие физики в последующие десятилетия показало, что в существовании такой структуры нет никаких сомнений. В конце ХХ в. физика начинает понимать, каково значение каждой из элементарных частиц. Миру субатомных частиц присущ глубокий и рациональный порядок. В основе этого порядка - фундаментальные физические взаимодействия.

1.Фундаментальные физические взаимодействия.

В свой повседневной жизни человек сталкивается с множеством сил, действующих на тела. Здесь и сила ветра или набегающего потока воды, давление воздуха, мощный выброс взрывающихся химических веществ, мускульная сила человека, вес тяжелых объектов, давление квантов света, притяжение и отталкивание электрических зарядов, сейсмические волны, вызывающие подчас катастрофические разрушения, и вулканические извержения, приводившие к гибели цивилизации, и т. д. Одни силы действуют непосредственно при контакте с телом, другие, например, гравитация, действуют на расстоянии, через пространство. Но, как выяснилось в результате развития теоретического естествознания, несмотря на столь большое разнообразие, все действующие в природе силы можно свести всего лишь к четырем фундаментальным взаимодействиям. Именно эти взаимодействия в конечном счете отвечают за все изменения в мире, именно они являются источником всех преобразований тел и процессов. Изучение свойств фундаментальных взаимодействий составляет главную задачу современной физики.

Гравитация.

В истории физики гравитация (тяготение) стала первым из четырех фундаментальных взаимодействий предметом научного исследования. После появления в ХVII в. ньютоновской теории гравитации - закона всемирного тяготения - удалось впервые осознать истинную роль гравитации как силы природы. Гравитация обладает рядом особенностей, отличающих ее от других фундаментальных взаимодействий. Наиболее удивительной особенностью гравитации является ее малая интенсивность. Величина гравитационного взаимодействия между компонентами атома водорода составляет 10n , где n = - 3 9 , от силы взаимодействия электрических зарядов. (Если бы размеры атома водорода определялись гравитацией, а не взаимодействием между электрическими зарядами, то низшая (самая близкая к ядру) орбита электрона по размерам превосходила бы доступную наблюдению часть Вселенной!) (Если бы размеры атома водорода определялись гравитацией, а не взаимодействием между электрическими зарядами, то низшая (самая близкая к ядру) орбита электрона по размерам превосходила бы доступную наблюдению часть Вселенной!). Может показаться удивительным, что мы вообще ощущаем гравитацию, коль скоро она так слаба. Как она может оказаться господствующей силой во Вселенной? Все дело во второй удивительной черте гравитации - ее универсальности. Ничто во Вселенной не избавлено от гравитации. Каждая частица испытывает на себе действие гравитации и сама является источником гравитации. Поскольку каждая частица вещества вызывает гравитационное притяжение, гравитация возрастает по мере образования все больших скоплений вещества. Мы ощущаем гравитацию в повседневной жизни потому, что все атомы Земли сообща притягивают нас. И хотя действие гравитационного притяжения одного атома пренебрежимо мало, но результирующая сила притяжения со стороны всех атомов может быть значительной. Гравитация - дальнодействующая сила природы. Это означает, что, хотя интенсивность гравитационного взаимодействия убывает с расстоянием, оно распространяется в пространстве и может сказываться на весьма удаленных от источника телах. В астрономическом масштабе гравитационное взаимодействие, как правило, играет главную роль. Благодаря дальнодействию гравитация не позволяет Вселенной развалиться на части: она удерживает планеты на орбитах, звезды в галактиках, галактики в скоплениях, скопления в Метагалактике. Сила гравитации, действующая между частицами, всегда представляет собой силу притяжения: она стремится сблизить частицы. Гравитационное отталкивание никогда еще не наблюдалось (Хотя в традициях квазинаучной мифологии есть целая область, которая называется левитация - поиск "фактов" антигравитации). Поскольку энергия, запасенная в любой частице, всегда положительна и наделяет ее положительной массой, частицы под действием гравитации всегда стремятся сблизиться. Чем является гравитация, неким полем или проявлением искривления пространства-времени, - на этот вопрос пока еще однозначного ответа нет. Как уже отмечалось нами, существуют разные мнения и концепции физиков на сей счет.

Электромагнетизм.

По величине электрические силы намного превосходят гравитационные. В отличие от слабого гравитационного взаимодействия, электрические силы, действующие между телами обычных размеров, можно легко наблюдать. Электромагнетизм известен людям с незапамятных времен (полярные сияния, вспышки молнии и др.). В течение долгого времени электрические и магнитные процессы изучались независимо друг от друга. Как мы уже знаем, решающий шаг в познании электромагнетизма сделал в середине XIX в. Дж. К. Максвелл, объединивший электричество и магнетизм в единой теории электромагнетизма - первой единой теории поля. Существование электрона было твердо установлено в 90-e годы прошлого столетия. Ныне известно, что электрический заряд любой частицы вещества всегда кратен фундаментальной единице заряда - своего рода "атому" заряда. Почему это так - чрезвычайно интересный вопрос. Однако не все материальные частицы являются носителями электрического заряда. Например, фотон и нейтрино электрически нейтральны. В этом отношении электричество отличается от гравитации. Все материальные частицы создают гравитационное поле, тогда как с электромагнитным полем связаны только заряженные частицы. Как и электрические заряды, одноименные магнитные полюса отталкиваются, а разноименные - притягиваются. Однако в отличие от электрических зарядов магнитные полюса встречаются не по отдельности, а только парами - северный полюс и южный полюс. Еще с древнейших времен известны попытки получить посредством разделения магнита лишь один изолированный магнитный полюс - монополь. Но все они заканчивались неудачей. Может быть, существование изолированных магнитных полюсов в природе исключено? Определенного ответа на этот вопрос пока не существует. Некоторые теоретические концепции допускают возможность существования монополя. Как электрическое и гравитационное взаимодействия, взаимодействие магнитных полюсов подчиняется закону обратных квадратов. Следовательно, электрическая и магнитная силы "дальнодействующие", и их действие ощутимо на больших расстояниях от источника. Так, магнитное поле Земли простирается далеко в космическое пространство. Мощное магнитное поле Солнца заполняет всю Солнечную систему. Существуют и галактические магнитные поля. Электромагнитное взаимодействие определяет структуру атомов и отвечает за подавляющее большинство физических и химических явлений и процессов (за исключением ядерных).

Слабое взаимодействие.

К выявлению существования слабого взаимодействия физика продвигалась медленно. Слабое взаимодействие ответственно за распады частиц; и поэтому с его проявлением столкнулись с открытием радиоактивности и исследованием бета-распада. У бета-распада обнаружилась в высшей степени странная особенность. Исследования приводили к выводу, что в этом распаде нарушается один из фундаментальных законов физики - закон сохранения энергии. Казалось, что в этом распаде часть энергии куда-то исчезала. Чтобы "спасти" закон сохранения энергии, В. Паули предположил, что вместе с электроном при бета -распаде вылетает еще одна частица. Она - нейтральная и обладающая необычайно высокой проникающей способностью, вследствие чего ее не удавалось наблюдать. Э. Ферми назвал частицу-невидимку "нейтрино". Но предсказание и обнаружение нейтрино - это только начало проблемы, ее постановка. Нужно было объяснить природу нейтрино, но здесь оставалось много загадочного. Дело в том, что и электроны и нейтрино испускались нестабильными ядрами. Но было неопровержимо доказано, что внутри ядер таких частиц нет. Как же они возникали? Было высказано предположение, что электроны и нейтрино не существуют в ядре в "готовом виде", а каким-то образом образуются из энергии радиоактивного ядра. Дальнейшие исследования показали, что входящие в состав ядра нейтроны, предоставленные самим себе, через несколько минут распадаются на протон, электрон и нейтрино, т.е. вместо одной частицы появляются три новые. Анализ приводил к выводу, что известные силы не могут вызвать такой распад. Он, видимо, порождался какой-то иной, неизвестной силой. Исследования показали, что этой силе соответствует некоторое слабое взаимодействие. Оно гораздо слабее электромагнитного, хотя и сильнее гравитационного. Оно распространяется на очень незначительных расстояниях. Радиус слабого взаимодействия очень мал. Слабое взаимодействие прекращается на расстоянии, большем 10n см (где n = - 1 6) от источника и потому не может влиять на макроскопические объекты, а ограничивается отдельными субатомными частицами. Впоследствии выяснилось, что большинство нестабильных элементарных частиц участвует в слабом взаимодействии. Теория слабого взаимодействия была создана в конце б0-х годов С. Вайнбергом и А. Саламом. С момента построения Максвеллом теории электромагнитного поля создание этой теории явилось самым крупным шагом на пути к единству физики. 10.

Сильное взаимодействие.

Последнее в ряду фундаментальных взаимодействий - сильное взаимодействие, которое является источником огромной энергии. Наиболее характерный пример энергии, высвобождаемой сильным взаимодействием, - это наше Солнце. В недрах Солнца и звезд, начиная с определенного времени, непрерывно протекают термоядерные реакции, вызываемые сильным взаимодействием. Но и человек научился высвобождать сильное взаимодействие: создана водородная бомба, сконструированы и совершенствуются технологии управляемой термоядерной реакции. К представлению о существовании сильного взаимодействия физика шла в ходе изучения структуры атомного ядра. Какая-то сила должна удерживать протоны в ядре, не позволяя им разлетаться под действием электростатического отталкивания. Гравитация для этого слишком слаба; очевидно, необходимо какое-то новое взаимодействие, причем, более сильное, чем электромагнитное. Впоследствии оно было обнаружено. Выяснилось, что хотя по своей величине сильное взаимодействие существенно превосходит все остальные фундаментальные взаимодействия, но за пределами ядра оно не ощущается. Радиус действия новой силы оказался очень малым. Сильное взаимодействие резко падает на расстоянии от протона или нейтрона, превышающем примерно 10n см (где n = - 13). Кроме того, выяснилось, что сильное взаимодействие испытывают не все частицы. Его испытывают протоны и нейтроны, но электроны, нейтрино и фотоны не подвластны ему. В сильном взаимодействии участвуют только более тяжелые частицы. Теоретическое объяснение природы сильного взаимодействия развивалось трудно. Прорыв наметился в начале 60-х годов, когда была предложена кварковая модель. В этой теории нейтроны и протоны рассматриваются не как элементарные частицы, а как составные системы, построенные из кварков. Таким образом, в фундаментальных физических взаимодействиях четко прослеживается различие сил дальнодействующих и близкодействующих. С одной стороны, имеют место взаимодействия неограниченного радиуса действия (гравитация, электромагнетизм), а с другой - взаимодействия малого радиуса действия (сильное и слабое). Мир физических элементов в целом развертывается в единстве этих двух полярностей и является воплощением единства предельно малого и предельно большого - близкодействия в микромире и дальнодействия во всей Вселенной.

Проблема единства физики.

Познание есть обобщение действительности, и поэтому цель науки - поиск единства в природе, связывание разрозненных фрагментов знания в единую картину. Для того чтобы создать единую систему, нужно открыть связующее звено между различными отраслями знания, некоторое фундаментальное отношение. Поиск таких связей и отношений - одна из главных задач научного исследования. Всякий раз, когда удается установить такие новые связи, значительно углубляется понимание окружающего мира, формируются новые способы познания, которые указывают путь к не известным ранее явлениям. Установление глубинных связей между различными областями природы - это одновременно и синтез знания, и метод, направляющий научные исследования по новым, непроторенным дорогам. Выявление Ньютоном связи между притяжением тел в земных условиях и движением планет ознаменовало собой рождение классической механики, на основе которой построена технологическая база современной цивилизации. Установление связи термодинамических свойств газа с хаотическим движением молекул поставило на прочную основу атомно-молекулярную теорию вещества. В середине прошлого столетия Максвелл создал единую электромагнитную теорию, охватившую как электрические, так и магнитные явления. Затем в 20-х г. нашего века Эйнштейн предпринимал попытки объединить в единой теории электромагнетизм и гравитацию. Но к середине ХХ в. положение в физике радикально изменилось: были открыты два новых фундаментальных взаимодействия - сильное и слабое, т.е. при создании единой физики приходится считаться уже не с двумя, а с четырьмя фундаментальными взаимодействиями. Это несколько охладило пыл тех, кто надеялся на быстрое решение данной проблемы. Но сам замысел под сомнение всерьез не ставился, и увлеченность идеей единого описания не прошла. Существует точка зрения, что все четыре (или хотя бы три) взаимодействия представляют собой явления одной природы и должно быть найдено их единое теоретическое описание. Перспектива создания единой теории мира физических элементов на основе одного-единственного фундаментального взаимодействия остается весьма привлекательной. Это главная мечта физиков ХХ в. Но долгое время она оставалась лишь мечтой, и очень неопределенной. Однако во второй половине ХХ в. появились предпосылки осуществления этой мечты и уверенность, что это дело отнюдь не отдаленного будущего. Похоже, что вскоре она вполне может стать реальностью. Решающий шаг на пути к единой теории был сделан в 6О-70-х гг. с созданием сначала теории кварков, а затем и теории электрослабого взаимодействия. Есть основания для мнения, что мы стоим на пороге более могущественного и глубокого объединения, чем когда-либо ранее. Среди физиков усиливается убеждение, что начинают вырисовываться контуры единой теории всех фундаментальных взаимодействий - Великого объединения.

2 . Классификация элементарных частиц.