Взаимодействия

Дальнейшее развитие теории строения вещества привело к становлению и развитию ядерной физики и физики элементарных частиц. Было установлено, что в самых глубинах микромира действуют специфические силы, совсем не похожие на уже знакомые нам и ставшие привычными гравитационные и электромагнитные силы. В современной картине мира рассматриваются четыре вида фундаментальных взаимодействий. Напомним, что «фундаментальность» в естествознании означает несводимость к более простым сущностям. Интенсивность того или иного взаимодействия удобно характеризовать константой взаимодействия. Эта константа -безразмерная величина, характеризующая вероятность процессов данного взаимодействия. Все фундаментальные взаимодействия имеют сходные механизмы - так называемое обменное взаимодействие. Его сущность состоит во взаимовлиянии тождественных частиц путем обмена частицами-переносчиками. Такое явление не имеет наглядных аналогов в классической физике. Все наблюдаемые нами макроявления по сути своей есть результат суммирования бесчисленного множества элементарных актов взаимодействия частиц материи. Рассмотрим коротко основные модели этих взаимодействий.

1. Гравитационное взаимодействие. Его макроскопическое проявление есть закон всемирного тяготения. Гравитация удивительно универсальна, она «работает» между любыми видами материи и на любых расстояниях. Второе удивительное свойство - это несимметрия. Мы знаем только гравитационное притяжение, а гравитационного отталкивания нет. Квантовая теория тяготения пока что находится в стадии становления. Кванты гравитационного поля - гравитоны - экспериментально не обнаружены, хотя теория предполагает их существование. Напомним, что в общей теории относительности (она же эйнштейновская теория тяготения) считается, что истинно гравитационное поле является искривлением четырехмерного пространства-времени, где неприемлемо представление об эвклидовом пространстве, а время в разных точках течет по-разному. Эту истину называют принципом эквивалентности - тяготеющая масса неотличима от массы инертной. Искривление пространства-времени определяется не только массой, но и всеми видами энергии - см. формулу (5),

Эволюция естествознания при этом изменения гравитационного поля распространяются в пространстве со скоростью света. Соответственно, если скорости малы, то для расчетов следует использовать формулы по Ньютону. Так, например, делают при расчетах движения искусственных космических летательных аппаратов. По относительной силе гравитационное взаимодействие - самое слабое, его константа равна 10-39. Мы уже знаем, что под действием сил собственного тяготения возможно развитие возмущений плотности и скорости материальной среды. Это явление гравитационной неустойчивости - движущая причина в формировании структуры Вселенной. В теории гравитационной неустойчивости показывается, что скорость роста возмущений сильно зависит от масштаба возмущения. Если возмущение меньше определенного (критерий - так называемая длина волны Джинса), то оно не нарастает и может даже исчезнуть. Если же больше, то нарастание идет с ускорением, то есть оно идет тем быстрее, чем больше масштаб возмущения. Именно таким образом формируется крупномасштабная структура Вселенной. Человечество формировалось и живет в постоянном поле тяготения Земли. Поэтому так важно изучение процессов адаптации человека к жизни в более слабых гравитационных полях.

2. Электромагнитное взаимодействие. Оно существует между частицами, имеющими электрический заряд. Силы взаимодействия - это сила Кулона и сила Лоренца - см. формулы (1) и (3). Радиус действия электромагнитных сил бесконечен, как и гравитационных полей. Но в отличие от гравитации, в электромагнетизме есть силы притяжения и силы отталкивания. В классическом толковании электромагнитное взаимодействие осуществляется через электромагнитное поле. В квантовой электродинамике переносчик взаимодействия -квант этого поля, фотон. Фотоны могут быть как реальными, так и виртуальными, существование которых следует из принципа неопределенности - см. формулы (7.1) и (7.2). По абсолютной величине электромагнитные силы намного больше, чем гравитационные, константа электромагнитного взаимодействия - порядка 10'2.

  • 3. Сильное взаимодействие. Константа этого взаимодействия около 10, то есть примерно в 1000 раз больше, чем у электромагнитного, но радиус действия не превышает величин в 1015 м. Сильное взаимодействие - весьма короткодействующее. Оно характерно для элементарных частиц, называемых адронами. Всего их насчитывается несколько сотен, самые известные - нейтроны и протоны. Переносчиками сильного взаимодействия являются пи-мезоны. Все адроны, за исключением протонов, неустойчивы. У адронов есть внутренняя структура. Детально сильное взаимодействие изучает квантовая хромодинамика, именно в ней рассматриваются кванты межкваркового взаимодействия - глюоны. Наиболее изученное проявление сильного взаимодействия - ядерные силы, действующие между нуклонами (протонами и нейтронами) внутри атомных ядер. Основой ядерных сил служит именно сильное взаимодействие, хотя свой вклад вносят и гравитационные, и электромагнитные силы. Ядерные силы в силу своего короткодействия обладают свойством насыщения, то есть с одним нуклоном внутри ядра могут взаимодействовать только его ближайшие соседи. Насыщение означает возможность существования ядерной материи, которая составляет основную часть нейтронных звезд.
  • 4. Слабое взаимодействие. Этот вид взаимодействия сильнее гравитации, но заметно слабее двух других. Константа его равна 1О14. Радиус действия слабого взаимодействия порядка 1018 м, что в тысячу раз меньше, чем при сильном взаимодействии. Слабое взаимодействие ответственно за взаимопревращения частиц внутри ядер, т.е. служит основным источником энергии Солнца и большинства звезд. Оно же определяет явление бэта-распада, когда из ядра вылетают электроны и антинейтрино. Переносчиками слабого взаимодействия являются так называемые «векторные бозоны» ( W+-, W--, /°-бозоны). В настоящее время очень перспективной представляется модель единого электрослабого взаимодействия, различными проявлениями которого выступают электромагнитное и слабое взаимодействия.

Все фундаментальные взаимодействия протекают во времени и в пространстве. Если же эти взаимодействия перевести в «энергетическое представление», то в силу квантован-ности энергии и соотношения неопределенностей для каждого вида квантованных полей, то есть для каждого вида взаимодействия, должно существовать состояние с минимальной энергией, не равной нулю. Это будет их основное состояние, когда энергия минимальна, но не равна нулю, а все другие величины - импульс, момент импульса (угловой момент), электрический заряд и др. равны нулю. Такое состояние носит название «физического вакуума». Его как низшее по энергии состояние логично представлять не как «абсолютно пустое» пространство, а как уникальную среду, заполненную полями, флуктуирующими с большой амплитудой. Так, квантовые флуктуации электромагнитного и электрон-позитронного полей вызывают экспериментально наблюдаемое смещение уровней энергии электрона во внешнем поле (лэмбовский сдвиг, у. Лэмб, 1947 год). Другим наблюдаемым эффектом является поляризация вакуума. Обнаружение этих явлений, отмеченное Нобелевской премией в 1955 году, дало старт быстрому развитию квантовой электродинамики (КЭД). В нынешнем естествознании изучение взаимодействий с вакуумом составляет одно из приоритетных направлений; о вакууме стали рассуждать даже в телевизионных передачах.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >