загрузка...
 
5.5.2 Фундаментальні взаємодії та їхні переносники
Повернутись до змісту

5.5.2 Фундаментальні взаємодії та їхні переносники

Фізиками встановлене існування чотирьох видів взаємодії між суб’ядерними частинками: сильна, електромагнітна, слабка та гравітаційна (вони перелічені в порядку зменшення інтенсивності). Сучасні теорії всіх взаємодій є квантовими.

Інтенсивність будь-якої взаємодії прийнято характеризувати за допомогою так званої сталої взаємодії, яка визначає ймовірність процесів, обумовлених даним видом взаємодії. Відношення значень констант дає відносну інтенсивність відповідних взаємодій, що дозволяє порівняти їх.

Найбільш універсальною поміж взаємодій є гравітаційна ? вона виникає між будь-якими тілами, що мають масу.

У фізиці суб’ядерних частинок гравітаційна взаємодія не відіграє майже ніякої ролі на відстанях >10-35 м. При менших відстанях або дуже великих енергіях ця взаємодія за величиною порівнюється з іншими взаємодіями. В рамках загальної теорії відносності гравітація розглядається як викривлення простору-часу, тобто має геометричну інтерпретацію.

Електромагнітна взаємодія виникає між тілами, що мають електричний заряд. Квантова теорія, що описує електромагнітну взаємодію, називається квантовою електродинамікою і вважається найбільш досконалою із усіх існуючих теорій. Ця теорія відповідає основним вимогам як квантової теорії, так і теорії відносності.

Слабка і сильна взаємодії – ядерні. Слабка взаємодія керує розпадом більш важких суб’ядерних частинок на більш легкі й змінює внутрішню природу частинок.

Сильна взаємодія ? це взаємодія між кварками (складові частинки ядра), яка і обумовлює ядерну взаємодію, а також різні ядерні реакції. Сильна взаємодія майже у 1037 разів сильніша порівняно із гравітаційною.

У квантовій теорії всі фундаментальні взаємодії подаються як процес обміну віртуальними квантами визначеного типу. (Віртуальними називають частинки, які виникають на такий короткий час, що поява, згідно зі співвідношенням невизначеностей Гейзенберга, додаткової енергії не порушує закон збереження енергії). Фактично фізичний вакуум є "первинним бульйоном" віртуальних частинок різної природи, які постійно народжуються та знищуються. Таким чином, квантова теорія поля суттєво змінила погляд на вакуум, який у класичній теорії вважався місцем, вільним від матерії. Вакуум квантової теорії ? це система полів, які здійснюють нульові коливання, в результаті вакуум має енергію, тиск та інші параметри. Фізичний вакуум бере безпосередню участь у формуванні кількісних і якісних властивостей фізичних об’єктів. Такі властивості частинок, як спін, маса, заряд, з’являються завдяки їх взаємодії з вакуумом.

У рамках квантової теорії взаємодія двох частинок описується таким чином. Частинка створює навколо себе поле, яке є збуренням фізичного вакууму. В результаті навколо частинки виникає "хмара", або "шуба", віртуальних частинок визначеного типу, густина якої зменшується із збільшенням відстані. Аналогічний процес відбувається навколо іншої частинки.

Дві частинки, які виявилися у радіусі дії своїх зарядів, починають обмінюватися квантами поля: перша частинка випромінює і одночасно поглинає ідентичний квант, що випромінила інша частинка. Обмін віртуальними частинками залежно від властивостей квантів поля створює ефект притягання або відштовхування між суб’ядерними частинками.

Чотири види фундаментальних фізичних взаємодій: гравітаційні, електромагнітні, слабкі, сильні.

Кожній фундаментальній взаємодії відповідає своя частинка, яка переносить цю взаємодію. Для гравітації ? це гравітони, для електромагнітної взаємодії ? фотони, сильна взаємодія обумовлюється глюонами, слабка ? векторними бозонами.

Радіус дії тієї чи іншої взаємодії обернено пропорційний масі. Оскільки фотони і гравітони мають масу спокою, яка дорівнює нулю, відповідні взаємодії є далекодіючими, інші дві є короткодіючими, їх радіус дії сумірний з радіусом ядра атома.

Яким же чином здійснюються ці взаємодії?

Механізм взаємодій один: за рахунок обміну іншими частинками – переносниками взаємодії.

Електромагнітна взаємодія: переносник – фотон.

Гравітаційна взаємодія: переносники – кванти поля тяжіння – гравітони.

І фотони, і гравітони не мають маси (маси спокою) і завжди рухаються зі швидкістю світла.

Слабкі взаємодії: переносники – векторні бозони.

Істотною відмінністю переносників слабкої взаємодії від фотона і гравітона є їх масивність.

Переносники сильних взаємодій ? глюони (від англійського слова glue ? клей), з масою спокою, що дорівнює нулю.

Порівняльна таблиця

Взаємодія

Радіус дії

Константа взаємодії

Гравітаційна

Нескінченно великий

6?10-39

Електромагнітна

Нескінченно великий

1/137

Слабка

Не перевищує 10-18 м

10-14

Сильна

Не перевищує 10-15 м

1

Різні феноменологічні польові моделі передбачають об'єднання всіх відомих видів взаємодії елементарних частинок. 

Це квантова хромодинаміка (КДХ),  калібрувальні теорії, які використовують ширші групи внутрішніх симетрій ( SU(5),  SU(8), SU(10), SU(11)  і так далі), моделі суперсиметрій, об'єднувальні  ферміони і бозони, Теорія Великого Об'єднання, теорія струн, мембран.

Нарешті,  М-теорія, яка є вершиною побудови феноменологічних теорій. На думку її авторів, ця теорія об'єднує  Все і Вся, описуючи всі відомі поля (включаючи гравітацію) і багато того, що досі невідоме.

Але в даний час фізики вважають, що в природі існують лише чотири типи фундаментальних взаємодій. І відкривається шлях до створення універсальної всеохоплюючої теорії.

Ряд істотних відкриттів, зроблених у фундаментальній фізиці, особливо в галузі під назвою фізика високих енергій, важливі експериментальні результати відкривають глибокий взаємозв'язок суб'ядерних частинок і прихованих сил, що діють у надрах речовини. Але ще більше вражають успіхи у сфері теоретичного осмислення отриманих результатів. Ці наукові напрямки спільно приводять до дуже привабливої ідеї, згідно з якою вся природа в кінцевому рахунку підпорядкована дії якоїсь суперсили, що виявляється в різних "іпостасях". Ця сила досить потужна, щоб створити наш Всесвіт і наділити її світлом, енергією, матерією і надати їй структуру. Але суперсила ? щось більше, ніж просто початок, що творить. У ній матерія, простір-час і взаємодія злиті в нероздільне гармонійне ціле, що породжує таку єдність Всесвіту, якої раніше ніхто і не припускав.

Призначення науки, по суті, полягає в пошуку єдності. Пов'язуючи різні явища в загальну теорію або загальний опис, вчений як би з'єднує частини оточуючого нас надзвичайно складного світу. Останні відкриття у фізиці викликають ентузіазм тому, що дозволяють охопити в теорії всі явища природи в рамках єдиної описової схеми.

Отримавши існування, керований суперсилою Всесвіт еволюціонував надзвичайно швидко. На думку деяких теоретиків, інфраструктура Всесвіту, що спостерігається нині, сформувалася в перші 10-32 с, і ця миттєва її впорядкованість включала перехід від десяти просторових вимірів до трьох, що збереглися до цього часу. Саме в ту епоху Всесвіт міг опинитися замкненим у "космічній пастці", що забезпечило генерацію з нічого величезних затрат енергії.

Якщо це так, то з первинної енергії в подальшому виникла вся матерія, з якої побудований Всесвіт, і вся енергія, яка донині живить Всесвіт.

Науковці розділилися на два табори. Одні вважають, що наука в принципі здатна пояснити Всесвіт у цілому. Інші схильні думати, що є якийсь надприродний елемент буття, що не піддається раціональному поясненню. Наукові оптимісти, якщо дозволено називати їх так, не наважуються стверджувати, що ми колись досягнемо вичерпного знання всіх деталей навколишнього світу, але вперто наполягають, що будь-який процес і будь-яка подія строго відповідають правилам, що випливає із законів природи. Їх опоненти заперечують це.

Цей вирішальний вибір став перед фізикою більш гостро, ніж перед будь-якою іншою наукою, почасти тому, що вона є фундаментальною наукою. Саме фізику належить розкрити природу простору і часу, фундаментальну будову речовини і дію сил, що формують об'єкти, які разом ми і називаємо Всесвітом. Кінцева мета фізики полягає в тому, щоб пояснити, з чого побудований світ, що "скріплює" його частини і як він діє.



загрузка...