Урок 12. фундаментальные поля как составляющие материи — Естествознание — 10 класс

Естествознание, 10 класс

Урок 12. Фундаментальные поля как составляющие материи

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

• Что такое фундаментальные взаимодействия и фундаментальные поля?
• Как описываются фундаментальные взаимодействия с помощью поля?
• Почему фундаментальные поля можно считать одной из составляющих материи?

Глоссарий по теме:

Фундаментальное взаимодействие – тип физического взаимодействия, который не сводится к другим взаимодействиям.

Концепция дальнодействия — совокупность представлений, согласно которым действие одного тела на другое передается мгновенно через пустоту на сколь угодно большие расстояния. Открытие электромагнитного поля показало, что концепция дальнодействия неверна.

Концепция близкодействия — совокупность представлений, согласно которым взаимодействие между удаленными телами происходит при участии промежуточной среды (поля) не превышая скорости света.

Гравитационное взаимодействие – универсальное фундаментальное взаимодействие между всеми материальными телами, имеющими массу.

Гравитационное поле – одно из физических полей, через которое осуществляется гравитационное взаимодействие.

Пробное тело – физическая модель, обладающая массой (остальными параметрами можно пренебречь) не влияющая на систему; применяется для измерения величины гравитационного взаимодействия.

Электромагнитное взаимодействие – тип фундаментального взаимодействия, в котором участвуют заряженные частицы.

Электромагнитное поле – одно из физических полей, через которое осуществляется электромагнитное взаимодействие.

Пробный заряд — физическая модель, обладающая зарядом (размером можно пренебречь), не оказывающая влияние на систему; применяется для измерения величины электромагнитного взаимодействия.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

1. Естествознание. 10 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд., испр. – М.: Просвещение, 2017. : с 53 -58.
2. Универсальная научно-популярная энциклопедия «Кругосвет» http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/CHASTITSI_ELEMENTARNIE.html?page=0%2C1
3. Фундаментальные взаимодействия И.Л.Бухбиндер: http://nuclphys.sinp.msu.ru/mirrors/fi.htm

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Фундаментальное взаимодействие

Взаимосвязь материальных объектов проявляется прежде всего в том, что они взаимодействуют друг с другом, т.е. воздействуют друг на друга. Взаимодействие между телами характеризуется некоторой силой.

В повседневной жизни мы встречаемся с разнообразными силами. Мы можем наблюдать силу ветра, мы прикладываем мускульную силу, чтобы поднять и перенести тяжести. Электрическая сила заставляет двигаться электропоезда. В курсе физики вы знакомились с силами упругости и трения.

Если посмотреть на структуру вещества, то эти взаимодействия можно представить как взаимодействие между молекулами и атомами. А, например, силы трения и силы упругости — как результат взаимодействия между электронами и ядрами. При этом, такие взаимодействия как гравитационные и электромагнитные нельзя уже свести к каким-то другим взаимодействиям.

Для характеристики взаимодействий, которые не сводятся к другим взаимодействиям, используют понятие фундаментальные (основные).

Таким образом, все перечисленные выше силы — лишь разные проявления этих фундаментальных сил, или взаимодействий.

Современная наука выделяет четыре типа фундаментальных взаимодействий:

• Гравитационное;
• Электромагнитное;
• Сильное;
• Слабое.

Заметим, что два последних проявляются на расстояниях соизмеримых с размером ядра, т.е. их действие распространяется на сверхмалых расстояниях.

Как описать фундаментальное взаимодействие

Чтобы понять, как воздействует одно тело на другое с помощью фундаментального взаимодействия, нужно уяснить какими характеристиками они обладают. Можно выделить два подхода к описанию фундаментальных взаимодействий: концепция дальнодействия и концепция близкодействия.

По концепции дальнодействия, зародившейся в рамках классической механики, считается, что все взаимодействия между телами осуществляются через пустое пространство на любое расстояние мгновенно, так как скорость света в классической механике принята за бесконечность.

Согласно второй концепции, все взаимодействия передаются при помощи тех или иных полей, непрерывно распространяющихся в пространстве. Согласно современным взглядам, не существует взаимодействий, в том числе фундаментальных, которые распространяются быстрее света (согласно общей теории относительности).

Рассмотрим описание взаимодействия частиц при помощи поля на примере гравитационного и электромагнитного взаимодействий.

Гравитационное поле

В курсе физики вы изучали закон всемирного тяготения: все тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

Оно универсально, т.е. осуществляется между любыми объектами, имеющими гравитационные свойства, которые характеризуются такой величиной как масса. Гравитационное взаимодействие – самое слабое и существенно лишь для тел с большими массами. Действуя и в микромире, оно играет основную роль лишь в макромире и особенно в мегамире.

Рассмотрим гравитационное взаимодействие на примере пробного тела в Солнечной системе, обозначив его массу через m (не путать с весом). В соответствии с законом всемирного тяготения на него действуют все тела Солнечной системы с силой притяжения, равной векторной сумме всех этих сил (_g – суммарная гравитационная сила). Поскольку каждая из отдельных сил пропорциональна массе

m, то суммарную силу можно описать формулой:

Векторная величина зависит от расстояния до других тел Солнечной системы (координат), т.е. является характеристикой поля — гравитационного. Такие рассуждения применимы и для других космических систем независимо от размера. К слову, величина вблизи поверхности Земли – знакомое нам ускорение свободного падения.

Поэтому действие гравитационных сил, создаваемое некоторой системой тел и действующее на пробное тело, можно представить как действие гравитационного поля, создаваемого всеми телами (за исключением пробного) на пробное тело.

Электромагнитное поле

Подобные рассуждения можно сделать и для электрического поля. Используя в этом случае закон Кулона: сила взаимодействия двух пробных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Тогда, , где сила системы заряженных тел, q – пробный заряд, – напряженность электрического поля (является характеристикой поля).

Таким образом, система заряженных тел действует на пробный заряд с определенной силой как электрическое поле.

При этом стоит отметить, что если заряды перейдут в движение, то кроме электрических сил, начинают действовать и магнитные силы. Если принять во внимание относительность механического движения, тогда кажется правомерным вывод, что эти силы связаны между собой.

Действительно, опыты показывают, что существует единая электромагнитная сила, действующая между зарядами — единое электромагнитное поле, которое представляет собой совокупность двух полей — электрического и магнитного. В различных системах отсчета исчезает электрическая или магнитная составляющая электромагнитного поля.

Фундаментальные поля как часть материи

Стоит отметить, что уже описанные фундаментальные взаимодействия (гравитационное и электромагнитное), а также сильное и слабое взаимодействия осуществляются на элементарном уровне.

Все фундаментальные взаимодействия имеют такие характеристики: энергия и инерция. Если поле не считать материальным, то следовало бы признать, что энергия и импульс не связаны с чем-то материальным и сами по себе переносятся через пространство. Из этого следует, что существуют определенные переносчики полевого взаимодействия. В процессе взаимодействия физический объект испускает частицы — переносчики взаимодействия, которые поглощаются другим физическим объектом.

Появление квантовой теории поля дополнило представление о взаимодействиях. Она показала, что при любом взаимодействии происходит обмен особыми частицами — переносчиками взаимодействия, или квантами соответствующего поля. В частности, для электромагнитного взаимодействия таким переносчиком является фотон. Для гравитационного взаимодействия предполагают – гравитон.

В космических масштабах такие наблюдения более наглядны. Так, луч света (электромагнитное взаимодействие) от Солнца доходит до Земли за 8 минут, а от Полярной звезды — за 472 года, т.е. мы видим сейчас Полярную звезду такой, какой она была во времена Колумба.

Резюме теоретической части:

Взаимосвязь материальных объектов проявляется прежде всего в том, что они взаимодействуют друг с другом. При этом, не существует одного универсального вида взаимодействия, а имеются четыре вида взаимодействий, которые осуществляются посредством соответствующих полей, являющихся их материальным носителями. Такими взаимодействиями являются: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое.

Конечность скорости распространения фундаментальных полей и перенос энергии и импульса этими полями позволяют признать их одной из составляющих материи.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

Задание 1. В макромире в области масштабов от радиуса атома до нескольких километров наиболее эффективным является … взаимодействие.

а) сильное

б) электромагнитное

в) слабое

г) гравитационное

Пояснение: правильный ответ – «б». Поскольку сильное и слабое взаимодействие проявляются в масштабах, соотносимых с размером ядра. При этом гравитационное взаимодействие является очень слабым взаимодействием, суммируется и проявляется при огромных массах, поэтому на уровне атомов гравитационными силами пренебрегают.

Задание 2. Соотнесите, какие из утверждений относятся к электромагнитному, а какие – к гравитационному взаимодействию.

а) частица-переносчик – фотон;

б) частица-переносчик – гравитон;

в) обеспечивает взаимодействие абсолютно всех частиц;

г) обеспечивает взаимодействие электрически заряженных частиц;

д) действует на расстояниях соизмеримых с размером ядра атома;

е) распространяется со скоростью света.

Ответ:

Электромагнитное взаимодействие: а, г, е.

Гравитационное взаимодействие: б, в, е.

Пояснение: ответ «д» является характеристикой сильного взаимодействия, т.е. не соответствует ни одному из рассматриваемых взаимодействий.

Популярное изложение — Кафедра №40 «Физика элементарных частиц» НИЯУ МИФИ

Физика высоких энергий и физика астрочастиц (космических частиц) являются сегодня двумя наиболее крупными и активно развивающимися направлениями физики элементарных частиц. Экспериментальные исследования именно в этих областях позволяют ученым изучать физический мир природы в его наиболее загадочных проявлениях, таких как поле Хиггса, темная материя Вселенной и др.

Все силы, возникающие в природе, на самом фундаментальном уровне могут быть описаны с помощью четырёх видов взаимодействий: гравитационного, электромагнитного, слабого и сильного. Первые два действуют на любых расстояниях и поэтому знакомы каждому, вторые два — действуют на крошечных расстояниях и поэтому менее известны. Гравитационное взаимодействие присуще всем телам обладающим массой. К электромагнитному сводятся взаимодействие между заряженными телами и частицами, а также упругие, вязкие, молекулярные, химические и др. Сильное взаимодействие удерживает вместе кварки, составляющие нуклоны (протоны и нейтроны), а также сами протоны и нейтроны в атомных ядрах. Слабое взаимодействие на микроуровне отвечает за выделение энергии в звёздах, в том числе и на Солнце, и ответственно за радиоактивный распад ядер.

Каждое из взаимодействий осуществляется при помощи особых элементарных частиц – переносчиков того или иного взаимодействия: фотоны – переносчики электромагнитного взаимодействия, глюоны – переносчики сильного взаимодействия, векторные бозоны — переносчики слабого взаимодействия, гравитоны, пока не открытые экспериментально, являются переносчиками гравитационного взаимодействия.

Рис. 1. Стандартная модель элементарных частиц (источник Википедия: Стандартная модель )

Теоретическая модель, объединяющая все четырёх взаимодействиях и накопленные знания об этих переносчиках, называется Стандартной моделью (СМ). СМ на настоящий момент является самой полной и подтвержденной экспериментально моделью строения нашей Вселенной. СМ состоит из семьнадцати (включая недавно открытый Хиггс бозон) элементарных частиц: шести кварков, шести лептонов и пяти бозонов, как представлено на рисунке 1. Однако до сих пор остаётся немало вопросов относительно СМ, в том числе относительно теоретических следствий, вытекающих из неё. Одним из таких направлений является поиск новых частиц, экспериментальное открытие которых приведет к расширению СМ.

Группа ATLAS МИФИ ведет активную работу в этом направлении, осуществляя поиск частиц с зарядами выше элементарного. Такие частицы не предсказываются СМ, но могли бы объяснить природу скрытой массы — гипотетической формы материи, которая не испускает электромагнитное излучение, следовательно, делает невозможным её прямое наблюдение. В предположении о “составной” природе скрытой массы отдельные частицы, “составляющие” её “атомы”, могут наблюдаться экспериментально на коллайдере (ускорителе элементарных частиц), оставляя уникальный след в детекторах частиц.

Не только новые частицы представляют большой интерес для физиков. Исследование свойств уже открытых крупиц материи позволяет дополнять и проверять существующие теоретические модели. Ярким примером таких работ является исследование свойств нейтрино. Даже малейшая разница, например, в массе этой частицы может привести к пересмотру глобальных теорий.

Для таких исследований на ускорителях создаются мощные нейтринные пучки, которые затем направляются на расположенные в сотнях километрах от них детекторы. Эти исследования позволяют изучать нейтринные осцилляции – удивительный эффект превращения нейтрино одного типа в другой. Они также способствуют поискам ответа на вопрос: почему в нашей Вселенной больше вещества, чем антивещества. С другой стороны, на стыке нейтринной физики и физики астрочастиц ведутся поиски нейтрино от астрофизических источников (сверхновые, гамма-всплески, первичные черные дыры и др.). Эти исследования ведут к более глубокому пониманию эволюции звезд и природы катастрофических процессов во Вселенной.

Рис. 2. Мегапроект «Борексино», реализуемый в международной подземной лаборатории Гран-Сассо (Италия) с участием стран Евросоюза, России и США предусматривает проведение фундаментальных исследований в области нейтринной физики и физики частиц и междисциплинарных исследований для решения актуальных задач астрофизики, атомной отрасли, наук о Земле

Физика нейтрино уже давно выделилась в самостоятельный раздел физики частиц. Достижения в этом сфере способствовали развитию существующих и формированию новых, переживающих сейчас бурный расцвет разделов науки: нейтринная астрофизика и нейтринная геофизика. При помощи нейтрино ведутся невозможные ранее исследования солнечных и земных недр. Изучение нейтрино от широкого спектра природных и искусственных источников является сегодня одним из тех путей, который может позволить нащупать механизмы расширения Стандартной модели физики частиц и прояснить природу целого ряда наблюдаемых, но еще непонятых явлений.

Другим направлением работы группы НИЯУ МИФИ, связанным с подтверждением предсказаний Стандартной модели, является проверка величины сечения рождения переносчиков слабого взаимодействия, т.е. векторных бозонов на эксперименте ATLAS  на Большом адронном коллайдере  (БАК). Векторных бозона на данный момент известно 3 вида: W–, W+, Z0. Эти частицы имеют очень большие массы: mW 85mp, mZ 96mp, где mp – масса протона. В МИФИ занимаются исследованием более сложного процесса: рождением Z бозона совместно с фотоном в процессе столкновений протонных пучков на БАК. Такое исследование позволяет проводить проверку Стандартной Модели с очень высокой (ранее недостижимой) точностью. Оно позволяет “засечь” запрещённые в СМ взаимодействия как в случае, если они происходят напрямую, так и в случае, если они реализуются посредством новых неизвестных ранее частиц.

Рис. 3. Рождение векторного бозона Z на эксперименте ATLAS

В настоящий момент уже однозначно доказано, что электромагнитные и слабые взаимодействия являются проявлением одного и того же взаимодействия, которое получило название электрослабого (1967 г. С.Вайнберг и А.Салам). Гипотеза состояла в следующем: природа слабого и электромагнитного взаимодействий едина, так как на малых расстояниях слабые взаимодействия сравниваются по силе с электромагнитными, и разница между промежуточными векторными бозонами и фотонами стирается. Иными словами, при энергиях, превышающих несколько сотен гигаэлектронвольт электромагнитное и слабое взаимодействия становятся неразличимыми по интенсивности, они как бы сливаются в одно электрослабое взаимодействие.

Таким образом, вместо четырёх фундаментальных взаимодействиях можно говорить лишь о трёх: гравитационном, сильном и электрослабом. Из этой гипотезы следует, что на малых расстояниях промежуточные векторные бозоны не отличаются по своим свойствам от фотонов, а это значит, что промежуточные векторные бозоны и фотоны это по сути два проявления одной и той же частицы – переносчика электрослабого взаимодействия (иначе сила взаимодействия не может быть одинаковой). Это возможно только тогда, когда выполняется принцип локальной калибровочной инвариантности (симметрии).

Выяснилось, что при изменении масштаба, то есть при уменьшении расстояния, переносчики электрослабого взаимодействия переходят из одного своего проявления – фотонов – в другое проявление – промежуточные векторные бозоны. Однако, данное предположение поставило новый вопрос: каким образом промежуточные векторные бозоны и фотоны могут быть проявлениями одних и тех же частиц, если у фотонов масса равна нулю, а промежуточные векторные бозоны имеют очень большие массы?

Для решения этой проблемы в 1964 году английским физиком Питером Хиггсом был предложен механизм, впоследствии названый механизмом Хиггса. Этот механизм основывается на идее спонтанного нарушения симметрии (Spontaneous symmetry breaking — SSB). Явление SSB обычно определяют следующим образом. Физическая система имеет спонтанно нарушенную симметрию, если взаимодействия, определяющие динамику системы, обладают одной симметрией, а основное состояние — другой. Примером спонтанного нарушения симметрии может служить модель с шариком, покоящимся на вершине полностью симметричной горы. Основное состояние при этом будет обладать осевой симметрией, но данное состояние будет неустойчиво. Если шарик предоставить самому себе, то при сколь угодно малом воздействии он скатится с вершины и система перейдёт в состояние устойчивого равновесия. Таким образом изначально симметричное состояние переходит в несимметричное — происходит спонтанное нарушение симметрии. Когда, в свою очередь, спонтанное нарушение симметрии происходит в калибровочных теориях, это явление называют механизмом Хиггса. В теории электрослабого взаимодействия при спонтанном нарушении симметрии появляются четыре безмассовых намбу-голдстоуновских бозона (следствие так называемой теоремы Голдстоуна), которые никак не проявляются в физическом спектре, но объединяются с безмассовыми калибровочными бозонами, придавая им массу. Таким образом, появляются четыре массивные частицы: W–, W+, Z0-бозоны и бозон Хиггса.

Рис. 4. Рождение Хигсс бозона в столкновении встречных пучков на ускорителе на БАК

Изложенные выше положения составляют единую теорию электрослабого взаимодействия. Именно из неё следовало существование трёх видов промежуточных векторных бозонов W–, W+, Z0, а также предсказаны значения их масс. Экспериментальное открытие промежуточных векторных бозонов в 1983 году подтвердило справедливость единой теории электрослабого взаимодействия.

Основным методом исследования в физике элементарных частиц является метод рассеяния, то есть столкновение различных частиц друг с другом, в результате которого рождаются новые частицы. В последнее время широко применяются коллайдеры – ускорители, в которых сталкиваются два пучка частиц с нулевым суммарным импульсом (частицы из разных пучков имеют равные по модулю, но противоположно направленные импульсы). Говорят, что процесс рассматривается в системе центра инерции сталкивающихся частиц. Рождающиеся в коллайдере новые частицы регистрируются различными детекторами. В эксперименте по поиску векторных бозонов на протонном синхротроне на протонном синхротроне   сталкивались протонный и антипротонный пучки, в каждом из которых энергия частицы равна Е. Тогда суммарная энергия столкновения двух частиц равна 2Е. При условии 2Е > Мс2 в этом столкновении может быть рождена частица массой М.

Кварк u из протона и антикварк d из антипротона могут слиться в W+. Аналогично, пары u кварка и его партнера из антимира и d кварка с антипартнером могут дать при слиянии Z0-бозон, пара u анти u кварка – W–-бозон. Родившись, эти частицы быстро распадаются на элекроны, мюоны и нейтрино и их антипартнеров. Позитрон или положительно заряженный мюон с высокой эффективностью могут быть зарегистрированы детекторами, и это будет служить признаком рождения промежуточного векторного бозона. Нейтрино при этом улетают, унося значительную часть энергии. Так экспериментальное открытие векторных промежуточных бозонов подтвердило справедливость единой теории электрослабого взаимодействия.

Рис. 5. Установка эксперимента UA1 на супер протонном синхротроне (SPS CERN), где впервые экспериментально наблюдались векторные бозоны

В настоящий момент самым грандиозным экспериментом в области физики высоких энергий можно по праву считать Большой адронный коллайдер. На пути разгоняемых протонных пучков в точках их столкновений установлены детекторы, регистрирующие разлетающиеся осколки. Одним из таких детекторов является детектор переходного излучения TRT. Этот детектор помогает измерить треки частиц и отделить один тип частиц от другого, а именно электроны от пи-мезонов, что является очень полезной информацией для многих физических анализов. Группа ATLAS МИФИ имеет непосредственное отношение как к разработке этого детектора, так и к поддержанию его в рабочем состоянии в экстремальных условиях внутри ускорителя.

Рис. 6. ATLAS —  oдин из четырёх основных экспериментов на коллайдере БАК в Европейской Организации Ядерных Исследований (CERN) в Женеве (Швейцария). Эксперимент проводится на одноимённом детекторе, предназначенном для исследования процессов, происходящих в протон-протонных и ион-ионных столкновениях при сверхвысоких энергиях

Помимо протонов Большой адронный коллайдер позволяет разгонять и сталкивать друг с другом ядра химических элементов. Каждый год столкновениям ядер свинца отводится порядка одного месяца в рамках научной программы коллайдера. Основная цель таких столкновений — это изучение свойств адронной материи при сверхвысоких давлениях и температурах, особый интерес представляет промежуточная фаза таких столкновений — кварк-глюонная материя.

Главное отличие научных задач в рамках ядро-ядерных столкновений от поиска хиггсовского бозона, суперсимметрии и разнообразных новых частиц заключается в том, что при изучении столкновений ядер возникновения новых частиц не ожидается, но с их помощью можно лучше понять как работает сильное взаимодействие.

Динамическое описание сильного взаимодействия — это исключительно важная (в том числе и с практической точки зрения), сложная и многогранная задача современной физики. Сильное взаимодействие обеспечивает существование конфайнмента, благодаря нему протоны и нейтроны в ядрах удерживаются вместе, и при этом не сливаются друг с другом. При этом, даже в вакууме , вдали от протонов и нейтронов, сильное взаимодействие «живет» исключительно нетривиальной жизнью, что значительно усложняет задачу по его изучению. По этому, описание сильного взаимодействия во всех его проявлениях является не менее важной задачей, чем открытие хиггсовского бозона или суперсимметрии.

Время существования кварк-глюонной материи — миллиардные доли секунды, поэтому не возможно напрямую в эксперименте измерять поведение кварк-глюонной материи и ответы на все вопросы приходится получать из косвенных методов при помощи регистрации многочисленных адронов, рожденных в столкновении.

Рис. 7. Событие столкновения ядер свинца на эксперименте ATLAS. В результате рождается множество “осколков” реакции, которые оставляют свои следы в детекторах

Среди многообразия доступных для наблюдения величин есть несколько ключевых, хорошо «зарекомендовавших себя» в предыдущих коллайдерных экспериментах с более низкими энергиями. Физики группы НИЯУ МИФИ в ATLAS занимаются несколькими из них. Глобальными и наиболее просто измеряемыми характеристиками в эксперименте в столкновениях релятивистских тяжелых ядер являются множественность заряженных частиц и распределение заряженных частиц по поперечному импульсу. По их свойствам можно делать важные заключения о новом состоянии ядерного вещества — кварк-глюонной материи (КГМ). 

НИЯУ МИФИ имеет также длительный опыт успешного участия в крупном международном мегапроекте ALICE в CERN. Работы проводятся в тесном сотрудничестве с НИЦ «Курчатовский институт» — координатором российского участия в этом мегапроекте. Эксперимент ALICE специально разработан и создан для экспериментов по физике ядро-ядерных столкновений при энергиях Большого адронного коллайдера (БАК) в CERN.

Еще одна важнейшая задача ядерной физики  — получение и изучение свойств ядер, находящихся в экстремальном состоянии — экзотических ядер. Примерами являются ядра, имеющие большой угловой момент («бешено» вращающиеся ядра), высокую энергию возбуждения («горячие» ядра), сильно деформированные ядра (также ядра с необычной конфигурацией), ядра с аномальным числом нейтронов или протонов (нейтронно-избыточные или нейтронно-дефицитные ядра и протонно-избыточные или протонно-дефицитные ядра), сверхтяжёлые ядра с числом протонов Z > 110.

Изучение свойств ядерной материи в экстремальных состояниях дает информацию о свойствах микромира и позволяет моделировать различные процессы, происходящие во Вселенной. Поэтому, синтезируя и изучая экзотические состояния ядер, ученые делают важные шаги в понимании не только фундаментальных свойств самого ядра, но и всей Вселенной. Например, внутри звезд и при взрывах сверхновых чрезвычайно высокие температуры и давления приводят к созданию частиц и ядер, которые при обычных условиях не существуют. Количество этих экзотических нестабильных ядер, перемешивающихся в котле Вселенной, находящихся далеко за пределами широкого спектра стабильных изотопов, обычно встречающихся на Земле.

Производство и исследование таких экзотических ядер в современных ускорителях представляет интерес по двум причинам. Во-первых, ученые могут проверить теоретические модели, описывающие свойства ядер не наблюдаемых на Земле в стабильном состоянии. Во-вторых, мы сегодня знаем, что синтез элементов в звездах происходит с участием экзотических ядер. Распад этих ядер происходит через испускание бета-частиц (т.е. высокоскоростных электронов) до появления стабильных ядер, известных на Земле. Таким образом, образование химических элементов (нуклеосинтез) и их распространенность определяется свойствами этих экзотических ядер. Тем самым, исследование экзотических ядер позволяет нам решать важные задачи астрофизики и космологии. Сотрудники НИЯУ МИФИ кафедры элементарных частиц ведут активную исследовательскую работу по поиску экзотических ядер.

Не только предсказания СМ и новые частицы учёные со всего мира надеются разглядеть в сложной мозаике из следов частиц, оставленных в детекторах. Дополнительные пространственные измерения – еще одно направление в физике высоких энергий (ФВЭ), которое занимает умы физиков. Идея о том, что число пространственных измерений в нашем мире может быть больше трех, была выдвинута еще в первой половине XX века в работах Т. Калуцы и О. Клейна. В настоящее время данная идея лежит в основе практически всех попыток объединения четырех физических взаимодействий.(-18) см.

Помимо чисто теоретических аспектов, широко обсуждаются и возможности экспериментального обнаружения дополнительных пространственных измерений. В частности, предполагается, что в высокоэнергичных столкновениях частиц на Большом адронном коллайдере могут рождаться частицы, которые “чувствуют” дополнительные пространства и могут проникать в них. В таком случае, часть суммарной энергии сталкивающихся частиц может теряться для наблюдателя, измеряющего ее в нашем четырехмерном пространстве-времени. Обнаружение подобного дисбаланса энергий явилось бы косвенным свидетельством многомерности пространства.

Все современные эксперименты в области ФВЭ не могли бы обойтись без не менее сложных вычислительных систем и алгоритмов. ФВЭ подразумевает обработку колоссального объема данных, которая невозможна без использования распределенных вычислительных систем: начиная от всем известной технологии всемирной паутины (World Wide Web), придуманной в ЦЕРН и повлиявшей на весь мир, и заканчивая использованием супер компьютеров и современных облачных систем. Так в грид-системе эксперимента АТЛАС за первые 5 лет работы эксперимента была обработано более 100 Пбайт данных (больше чем архив всего интернета в данный момент). При этом, объем данных постоянно возрастает, что вынуждает постоянно развивать новые технологии, которые впоследствии находят применение во всех областях науки.

 

В скором времени в статью будет добавлена информация по следующим разделам:

Космомикрофизика

Детекторы элементарных частиц

 

 

 

Электромагнитные взаимодействия — это… Что такое Электромагнитные взаимодействия?

        тип фундаментальных взаимодействий (наряду с гравитационным, слабым и сильным), который характеризуется участием электромагнитного поля (См. Электромагнитное поле) в процессах взаимодействия. Электромагнитное поле (в квантовой физике — Фотоны) либо излучается или поглощается при взаимодействии, либо переносит взаимодействие между телами. Так, притяжение между двумя неподвижными телами, обладающими разноимёнными электрическими зарядами, осуществляется посредством электрического поля, создаваемого этими зарядами; сила притяжения пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними (закон Кулона). Такая зависимость от расстояния определяет дальнодействующий характер Э. в., его неограниченный (как и у гравитационного взаимодействия) радиус действия. Поэтому даже в атомах (на расстояниях Электромагнитные взаимодействия 10^-8см) электромагнитные силы на много порядков превышают ядерные, радиус действия которых Электромагнитные взаимодействия 10^-12см. Э. в. ответственно за существование основных «кирпичиков» вещества: атомов и молекул и определяет взаимодействие ядер и электронов в этих микросистемах. Поэтому к Э. в. сводится большинство сил, наблюдающихся в макроскопических явлениях: сила трения, сила упругости и др. Свойства различных агрегатных состояний вещества (кристаллов, аморфных тел, жидкостей, газов, плазмы), химические превращения, процессы излучения, распространения и поглощения электромагнитных волн (См. Электромагнитные волны) определяются Э. в. В детекторах частиц высокой энергии используется явление ионизации (См. Ионизация) атомов вещества электрическим полем пролетающих частиц. Процессы расщепления ядер фотонами, реакции фоторождения мезонов, радиационные (с испусканием фотонов) распады элементарных частиц и возбуждённых состояний ядер, упругое и неупругое рассеяние электронов, Позитронов и мюонов (См. Мюоны) и т. п. обусловлены Э. в. Проявления Э. в. широко используются в электротехнике, радиотехнике, электронике, оптике, квантовой электронике.         Т. о., Э. в. ответственно за подавляющее большинство явлений окружающего нас мира. Явления, в которых участвуют слабые, медленно меняющиеся электромагнитные поля (ħ — постоянная Планка, ε — энергия поля), управляются законами классической электродинамики, которая описывается Максвелла уравнениями. Для сильных или быстро меняющихся полей (n — единичный вектор в направлении распространения электромагнитной волны, с — скорость света), Спин J = 1 и отрицательную зарядовую чётность (чётность относительно операции зарядового сопряжения (См. Зарядовое сопряжение)). Взаимодействия между фотонами γ, электронами (е^—), позитронами (е⁺) и мюонами (μ⁺, μ^—) описываются уравнениями квантовой электродинамики, которая является наиболее последовательным образцом квантовой теории поля (См. Квантовая теория поля). При Э. в. адронов (См. Адроны) (сильно взаимодействующих частиц) и атомных ядер существенную роль играет сильное взаимодействие, теория которого пока полностью не разработана.         Характерные черты Э. в. Среди других типов взаимодействий Э. в. занимает промежуточное положение как по «силе» и характерным временам протекания процессов, так и по числу законов сохранения. Отношение безразмерных параметров, пропорциональных квадратам констант сильного, электромагнитного, слабого и гравитационного взаимодействий и характеризующих «силу» взаимодействия протона с протоном при энергии Электромагнитные взаимодействия 1 Гэв в системе их центра масс, составляет по порядку величин 1:10^-2:10^-10:10^-38. Характерные времена электромагнитных распадов элементарных частиц и возбуждённых состояний ядер (10^-12—10^-21 сек) значительно превосходят «ядерные» времена (10^-22 —10^-24сек) и много меньше времён распадов, обусловленных слабым взаимодействием (10³—10^-11сек). Помимо строгих законов сохранения, справедливых для всех типов взаимодействий (энергии, импульса, момента количества движения, электрического заряда и др.), при Э. в., в отличие от слабых взаимодействий, сохраняется пространств. Чётность, зарядовая чётность и Странность. С хорошей степенью точности установлено, что Э. в. инвариантно по отношению к обращению времени (См. Обращение времени). Э. в. адронов нарушает присущие сильному взаимодействию законы сохранения изотопического спина (См. Изотопический спин) и G-чётности, при этом изотопический спин адронов может измениться при испускании или поглощении фотона не более чем на 1 (см., например, Пи-мезоны). Унитарная симметрия адронов (SU (3)-симметрия; см. Элементарные частицы) приводит к определённым соотношениям между электромагнитными характеристиками (например, магнитными моментами) частиц, принадлежащих к одному и тому же унитарному мультиплету.

         Тот факт, что электрический заряд определяет «силу» взаимодействия и в то же время является сохраняющейся величиной — уникальное свойство Э. в.; вследствие этого Э. в. зависят только от электрического заряда частиц и не зависят от типа частиц или электромагнитных процессов. При описании электромагнитного поля 4-мерным вектором-потенциалом Аμ(μ=→0,1,2,3) [А (φ, А), А — векторный, φ — скалярный потенциалы] плотность лагранжиана L Э. в. поля с зарядом записывается в виде скалярного произведения:

        

        где: j_μ — 4-мерный вектор плотности электрического тока: j = (cρ, j), j — плотность тока, ρ — плотность заряда. При градиентном преобразовании вектор-потенциала, которое называется также калибровочным преобразованием (2-го рода):

         А → А + grad f (х, t),

         ,         где j_μ (x, t) — произвольная функция координат х и времени t, наблюдаемые физические величины (напряжённости полей, вероятности электромагнитных процессов и т. п.) остаются неизменными. Это свойство, специфическое для Э. в., получило название принципа калибровочной инвариантности — одного из принципов симметрии в природе (см. Симметрии (См. Симметрия) в физике), выражающего в наиболее общей форме факт существования электромагнитного поля (фотона) и Э. в. Обобщение калибровочной инвариантности на слабые взаимодействия позволило сформулировать единую теорию слабых и электромагнитных взаимодействий лептонов (См. Лептоны) (см. Слабые взаимодействия).          Эффекты квантовой электродинамики. К ним относятся рассеяние фотонов на электронах (Комптона эффект), Тормозное излучение, фоторождение пар е⁺е^— или μ⁺μ^— на кулоновском поле ядер, Сдвиг уровней энергии атомов из-за поляризации электрон-позитронного вакуума (см. Вакуум физический) и другие эффекты, в которых можно пренебречь структурой заряда (его отличием от точечности) при взаимодействии с ним электромагнитного поля. Развитая для описания атомных явлений квантовая электродинамика оказалась справедливой для значительно меньших, чем атомные, расстояний. Изучение рассеяния электронов друг на друге и аннигиляции е⁺+е^— → μ⁺+μ^— при больших энергиях сталкивающихся частиц (до Электромагнитные взаимодействия 6 Гэв в системе центра масс), фоторождения пар е⁺+е^—, μ⁺+μ^— с большими относительными импульсами, а также прецизионные измерения уровней энергии электронов в атомах и аномальных магнитных моментов электрона и мюона установили справедливость квантовой электродинамики вплоть до очень малых расстояний: Электромагнитные взаимодействия 10^-15см. Её предсказания с высокой степенью точности согласуются с экспериментальными данными. Так, не найдено расхождения между теоретическим и экспериментальным значениями магнитного момента мюона на уровне 10^-7%.

         Характерной чертой электродинамических процессов при высоких энергиях Е (Е >> mc2, где m — масса электрона или мюона) является острая направленность вперёд угловых распределений частиц (γ, е^±, μ^±) — продуктов процессов: бо́льшая их часть вылетает в пределах угла ϑ ≤ mc²/E относительно направления налетающих частиц.

         Основной вычислительный метод квантовой электродинамики — теория возмущений: благодаря слабости Э. в. матрицу рассеяния (См. Матрица рассеяния) процессов с участием электромагнитного поля можно разложить в ряд по степеням малого параметра α и при вычислениях ограничиться рассмотрением небольшого числа первых членов этого ряда (обычно не более четырёх).          В диаграммной технике теории возмущений (см. Фейнмана диаграммы) простейший процесс квантовой электродинамики — взаимодействие фотона с бесструктурной (точечной) заряженной частицей входит как составной элемент в любой электродинамический процесс. Из-за малости α процессы с участием большого числа таких взаимодействий менее вероятны. Однако они доступны наблюдению и проявляются в т. н. радиационных поправках (См. Радиационные поправки), в эффектах поляризации электрон-позитронного вакуума, в многофотонных процессах (См. Многофотонные процессы). В частности, поляризация вакуума приводит к рассеянию света на свете (рис. 1, а) — эффекту, который отсутствует в классической электродинамике; этот эффект наблюдается при рассеянии фотонов на кулоновском поле тяжёлого ядра (рис. 1, б).

         В характере Э. в. для электронов (позитронов) и для мюонов не обнаружено отличия несмотря на значит, разницу в их массах; это легло в основу т. н. μ-е-универсальности, пока не получившей теоретического объяснения.

         Э. в. адронов и атомных ядер. В электромагнитных процессах с участием адронов (фоторождении мезонов, рассеянии электронов и мюонов на протонах и ядрах, аннигиляции пары е⁺ е^— в адроны и др.) один из объектов взаимодействия — электромагнитное поле — хорошо изучен. Это делает Э. в. исключительно эффективным инструментом исследования строения адронов и природы сильных взаимодействий.

         Сильные взаимодействия, как уже упоминалось, играют важную роль в электромагнитных процессах с участием адронов. Так, резонансные состояния адронов (Резонансы) могут возбуждаться фотонами и ярко проявляются, например, в полных сечениях поглощения фотонов протонами с образованием адронов (рис. 2). Электромагнитные свойства и электромагнитная структура адронов (магнитные моменты, поляризуемости, распределения зарядов и токов) обусловлены «облаком» виртуальных частиц (преимущественно π-мезонов), испускаемых адронами. Например, среднеквадратичный радиус распределения заряда в протоне определяется размерами этого «облака» и составляет Электромагнитные взаимодействия0,8․10^-13см (см. Формфактор). Вместе со слабыми взаимодействиями Э. в. ответственны за различие масс заряженных и нейтральных частиц в изотопических мультиплетах (например, n и р, π⁰ и π^±). Короткодействующий характер сильных взаимодействий определяет при энергиях (R — размер адронной системы) участие в реакциях лишь низших мультипольных моментов фотона и, как следствие этого, плавную зависимость дифференциальных сечений от углов. При высоких энергиях (Е>2 Гэв) угловые и энергетические зависимости характеристик (сечений, поляризаций и др.) процессов Э. в. адронов и чисто адронных процессов схожи [на рис. 2 σ (γ p) при Е>2 Гэв слабо зависит от энергии, что характерно для полных сечений взаимодействия адронов].          Это сходство легло в основу модели векторной доминантности, согласно которой фотон взаимодействует с адронами, предварительно перейдя в адронное состояние — векторные мезоны ρ⁰, ω, φ и др. Возможность такого перехода ярко иллюстрируется резонансной зависимостью от энергии сечения процесса е⁺ + е^— → К⁺ + К^—, обусловленной превращением виртуального фотона промежуточного состояния в векторный φ-мезон и его последующим распадом на пару К-мезонов (См. Мезоны) (рис. 3, б). Виртуальный фотон характеризуется отличным от 0 значением квадрата 4-мерного импульса q² = E²/c² — p² ≠ 0, где Е, р — энергия и трёхмерный импульс фотона (для реального фотона q² = 0). Например, для виртуального фотона, которым обмениваются электрон и протон при рассеянии, q² = —(4EE‘/c²) sin² (ϑ/2), где Е, E’ — энергии электрона до и после рассеяния (для случая Е, E’ >> mc2), ϑ — угол рассеяния в лабораторной системе отсчёта. Эксперимент показал удовлетворит. применимость модели векторной доминантности для описания электромагнитных явлений с участием реальных фотонов и виртуальных фотонов с |q²| 2 (Гэв/с)². В частности, в сечении аннигиляции е⁺+ е^— → μ⁺ + μ^— при энергии в системе центра масс 1019,5 Мэв наблюдаются отклонения от предсказаний квантовой электродинамики, которые вытекают из данной модели (обусловлены образованием К-мезона в промежуточном состоянии; см. рис. 3, а). (Согласно квантовой электродинамике, этот процесс происходит посредством превращения пары е⁺е^— в виртуальный фотон γ, а γ — в пару μ⁺μ^—.          Однако модель векторной доминантности не описывает Э. в. адронов при больших |q²| [|q²| > 2(Гэв/с²]. Так, измеренное сечение упругого рассеяния электронов на протонах, которое зависит от пространственного распределения электрических зарядов и токов внутри нуклона, спадает с ростом |q²| значительно быстрее, чем предсказывается моделью. Напротив, сечение глубоко неупругого рассеяния электронов (процесса е^— + р → е^—+ адроны при больших передачах энергии и импульса адронной системе) падает медленнее; при этом с увеличением полной энергии W адронов в конечном состоянии характер рассеяния приближается к характеру рассеяния на точечной частице. Последнее обстоятельство привело к формулировке т. н. партонной модели адронов; согласно этой модели адроны состоят из частей (партонов), которые при взаимодействии с фотонами проявляют себя как бесструктурные точечные частицы. Отождествление партонов с кварками (См. Кварки) оказалось плодотворным для понимания глубоко неупругого рассеяния.          Несмотря на то, что Э. в. — наиболее полно изученный тип фундаментального взаимодействия, его продолжают интенсивно исследовать во многих научных центрах. Это обусловлено как исключительным многообразием микроскопических и макроскопических проявлений Э. в., имеющих прикладное значение, так и уникальной ролью электромагнитного поля (как хорошо изученного объекта) в исследовании строения вещества на предельно малых расстояниях, в получении сведений о других типах взаимодействий, в выявлении новых законов и принципов симметрии в природе. Эти фундаментальные исследования ведутся с использованием прецизионных методов атомной и ядерной спектроскопии, с помощью полученных на ускорителях интенсивных пучков фотонов, электронов, мюонов высокой энергии, в космических лучах (См. Космические лучи).

         Лит.: Электромагнитные взаимодействия и структура элементарных частиц, пер. с англ., М., 1969; Ахиезер А. И., Берестецкий В. Б., Квантовая электродинамика, 3 изд., М., 1969; Фельд Б., Модели элементарных частиц, пер. с англ., М., 1971; Фейнман Р., Взаимодействие фотонов с адронами, пер. с англ., М., 1975; Вайнберг С., Свет как фундаментальная частица, пер. с англ., «Успехи физических наук», 1976, т. 120, в. 4.

         А. И. Лебедев.

        

        Рис. 1. Диаграмма Фейнмана для рассеяния света на свете: ? + ? ?? + ?(а) в квантовой электродинамике; волнистые линии изображают фотоны, прямые — электроны и позитроны вакуума. Этот процесс наблюдался (б) при рассеянии фотонов на кулоновском поле ядра (помечено крестиками), т. е. на виртуальных фотонах.

        

        Рис. 2. Зависимость от энергии фотона Е? в лабораторной системе полного сечения ? (?p) поглощения фотонов протонами, приводящего к образованию адронов. Максимумы соответствуют возбуждению фотонами нуклонных резонансов.

        

        Рис. 3. Поведение сечений σ (в произвольных единицах) процессов е⁺ + е^— → μ⁺ + μ^— (а) и е⁺ + е^— → К⁺ + К^— (б) в окрестности порога рождения φ-мезона. По оси абсцисс отложена разность Е — Мс², где Е — полная энергия в системе центра масс, М — масса покоя φ-мезона (Мс² = 1019,5 Мэв). Пунктирная кривая на рис. а — предсказание квантовой электродинамики. Сплошные кривые — результаты расчётов с учётом превращения виртуального фотона в φ-мезон и его последующего распада на пару μ⁺μ^— через виртуальный фотон или на К⁺ + К^—. Экспериментальные точки получены на установке со встречными пучками е⁺е^—.

Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия. 1969—1978.

Сила известных физических взаимодействий / Хабр

В этой статье я хочу обсудить основные свойства известных нам взаимодействий – четырёх наблюдаемых и пятого – нового – о чьём существовании мы делаем вывод из открытия частицы Хиггса.

Конкретно я хочу обсудить, что имеют в виду специалисты по физике частиц, описывая взаимодействия, как слабые или сильные. Такую терминологию вы можете встречать часто, но если её никто вам не объяснял, невозможно догадаться, что она означает. Так что вот вам объяснение – хоть и длинное, но, надеюсь, оно откроет вам глаза на то, как работает природа, а также поднимет много новых вопросов, на которые я надеюсь ответить позже.

«Слабые» против «сильных»

Что означают эти термины? В обычной жизни мы представляли бы, что сильное взаимодействие может поднять нас в воздух, а со слабым мы можем справиться, немного напрягши мускулы. Но специалисты по физике частиц имеют в виду вовсе не это.

Говоря о сильных и слабых, физики не имеют в виду абсолютную силу или слабость взаимодействия. Речь не идёт о том, сможет ли взаимодействие разбить окно или удержать золотой слиток. В этом контексте термины «сильный» и «слабый» не совсем абсолютные, в том смысле, в котором мы используем их в повседневной жизни или даже в начальных классах по физике. Эта терминология появилась благодаря глубокому пониманию квантовой теории поля, современного математического языка, используемого для описания известных элементарных частиц и сил. Но он фундаментален для современного обсуждения этих проблем физиками. Так что я начну с обоснования причин появления таких терминов.

Возьмём пару объектов определённого типа, допустим, элементарных частиц, и поместим их на расстоянии r друг от друга. Допустим, каждая оказывает воздействие F на другую. Тогда мы скажем, что воздействие слабое, если

Где h – постоянная Планка, c – скорость света. Часто в физике удобно использовать не h, а

Короче говоря, в физике частиц:

• Для слабого взаимодействия
• Для сильного взаимодействия

Обычно, даже в теоретических изысканиях, нам не встречаются взаимодействия гораздо сильнее . Такая сила делает их столь сложными, что мы работаем с ними иным способом. Но это долгая история.

Получается, что подобная характеристика говорит не об абсолютной силе или слабости взаимодействия, но о том, является ли оно сильным или слабым по сравнению с типичными взаимодействиями, работающими на расстоянии r. Учитывается не само взаимодействие; учитывается взаимодействие, помноженное на квадрат расстояния, и эта величина сравнивается с ℏ c.

Чтобы объяснить полезность этого понятия, я дам иллюстрацию для случая электромагнитных взаимодействий, воздействующих на простые заряженные частицы – электроны, позитроны и протоны. Электрический заряд электронов равен –e; у протонов и позитронов заряд равен +e.

Во-первых, представьте два неподвижных протона, каждый массой m и электрическим зарядом +e, находящихся на расстоянии r друг от друга. Электрическая сила расталкивает их в стороны, и её величина задаётся формулой

Та же формула применима и для двух электронов с зарядом –e. Для электрона и позитрона взаимодействие будет таким же, только оно будет притягивать их, а не расталкивать.

Что такое k? Это постоянная Кулона, а её значение зависит от того, как определять e, основную единицу заряда. Но это неважно, поскольку при обсуждении электрических взаимодействий и элементарных частиц мы всегда будем видеть совместное появление ke². Нам не нужно знать, насколько велика k, нам только нужно знать, насколько велика ke²?

Оказывается, что если r больше, чем миллионная миллионной доли метра, тогда ke² примерно равняется 0,007, помножить на (h c/2π), где h – постоянная Планка, а c – скорость света. Поэтому мы можем записать электрическую силу, помноженную на r², как примерно равную

Поскольку 0,007 гораздо меньше 1, электромагнетизм – слабое взаимодействие, и остаётся таким на всех расстояниях, измеренных нами.

Тут очень важно не запутаться! Только из того, что электромагнетизм – слабое взаимодействие, не следует, что взаимодействие двух протонов слабое в абсолютном исчислении. На самом деле электрическую силу, пытающуюся оттолкнуть два протона в ядре гелия, можно сравнить с весом грузовика! И вся эта сила действует на две крохотных частички! Но для таких малых расстояний это воздействие довольно слабое, и более сильное взаимодействие («сильное ядерное взаимодействие») противостоит электромагнитному отталкиванию, удерживая протоны и нейтроны в ядре гелия вместе.

Кстати, для этой величины 0,007 есть историческое название; её называют постоянной тонкой структуры (поскольку она задаёт размер небольших отличий в энергиях различных конфигураций атомов), и обычно обозначают α:

Это одна из наиболее точно измеренных величин природы. Часто люди записывают её примерно равной 1/137 (и многие годы некоторые учёные думали, что число 137 какое-то особенное), но если делать это совсем точно, тогда придётся записать 1/137,0359990…

Так почему же тот факт, что α гораздо меньше 1, говорит о том, что это взаимодействие надо записать в слабые, а не в сильные?

Почему то, что α << 1, означает, что электромагнитное взаимодействие слабое

Проще всего показать это на примере, в котором сила притягивает частицы – например, электрон и позитрон, или электрон и протон. С электрона и позитрона начать легче, поскольку у них равные массы; они формируют похожее на атом состояние под названием позитроний, аналогичное атому водорода, сформированному электроном и протоном, но более симметричное, в котором две частицы движутся по орбите друг вокруг друга. В атоме водорода электрон движется по орбите вокруг практически неподвижного протона. На самом деле формулы для водорода подходят и для позитрония, с небольшими изменениями (отличаются в 2 раза) в нескольких местах. (Да, электрон и позитрон в позитронии в конце концов аннигилируют и превращаются в два-три фотона, но только после того, как частицы совершат много миллиардов оборотов – что, правда, занимает малую долю секунды). Для позитрония в состоянии наименьшей энергии:

• типичная скорость каждой частицы равна α/2 × c;
• типична энергия движения (кинетическая) каждой частицы равна mc² × α²/8;
энергия взаимодействия (потенциальная) двух частиц равна –mc² × α²/2;
• связывающая энергия B позитрониума (сумма энергии движения и энергии взаимодействия) равна mc² × α²/4;
• энергия массы позитрониума 2 mc² – B; и поскольку второе гораздо меньше первого, то масса атома оказывается всего лишь немногим меньшей, чем сумма масс электрона и позитрона.

Короче говоря, из-за того, что α гораздо меньше 1, существуют три важнейших, связанных между собой факта:

• Электрон и позитрон двигаются со скоростями, сравнимыми со скоростью света c.
• Кинетическая энергия, потенциальная энергия и энергия связи B малы по сравнению с энергией массы электрона и позитрона, E = mc².
• Масса позитрония очень близка к сумме масс электрона и позитрона.

Все эти утверждения верны вне зависимости от того, насколько велика или мала масса электрона; они зависят только от малой величины α.

Всё это вместе значит, что для описания этого похожего на атом состояния Эйнштейновская специальная теория относительности не важна. Законы движения Ньютона достаточно хорошо подходят для предсказаний, вплоть до деталей, не больших, чем α – то есть, с точностью в 1% или лучше. И, как мы увидим далее, это значит, что система относительно проста. Её можно описать, используя квантовую механику с достаточно простой математикой, без участия квантовой теории поля, которая была бы необходима, если бы была важна СТО. Математика атома водорода такая же, как у позитрониума, и она настолько простая, что физики знакомятся с ней в институте, на первых уроках по квантовой механике.

Об этом можно думать ещё одним полезным, хотя и менее известным способом. Нужно помнить, что электроны, как и все элементарные частицы, в реальности являются квантами – крохотными возмущениями квантовых полей. Они больше похожи на волны, чем на мелкие шарики. Соответственно, они вибрируют, как и все волны: у них есть частота вибраций. Время, проходящее от одной вибрации до другой – которое я люблю поэтически называть «сердцебиением» – равно hc/m. Если α мало, тогда время, требуемое свету на то, чтобы пересечь атомоподобное состояние, гораздо больше, в 1/α раз, чем сердцебиение частиц, которое оно содержит. В этом смысле позитроний довольно большой. И поскольку сами частицы перемещаются гораздо медленнее света, у частиц на пересечение этого атомоподобного состояния уходит ещё больше времени – что-то в районе 1/α² сердцебиений.

Когда α мало, другие вещи, которые могли быть более сложными, также упрощаются. К примеру, воздействие позитрона на электрон может заставить электрон превратиться в виртуальный электрон и виртуальный фотон – иногда и ненадолго. (Виртуальные «частицы» не являются частицами; настоящая частица – это хорошо ведущая себя волна квантового поля, а виртуальная – это более общее возмущение этих полей). Но это происходит редко, когда α мало. Ещё реже сам виртуальный фотон возмущается и превращается в виртуальный электрон и позитрон. Поскольку энергию в размере 2mc², необходимую для получения реальных электрона и позитрона, взять неоткуда (вспомните, что энергии движения и взаимодействий гораздо меньше), виртуальные электрон и позитрон появляются очень редко. То, что виртуальные частицы появляются редко, позволяет говорить о том, что «атом позитрония состоит из электрона и позитрона» – именно так и есть, большую часть времени. Только в очень точных вычислениях требуется быть более осторожным, и помнить, что это не всегда так. То же работает и для атома водорода: это (почти всё время) только один электрон и один протон, удерживаемые простым электрическим взаимодействием.

Что было бы, если бы α была бы примерно равной 1?

Теперь представим, что α постепенно растёт и приближается к 1. Что случится с позитрониумом?

Рис. 1

С увеличением α взаимодействие (на любом расстоянии) между электроном и позитроном становится сильнее, и поскольку они притягиваются сильнее, то частицы в атомоподобном состоянии сдвигаются ближе. Частицы движутся быстрее, приближаясь к скорости света. Энергия движения частиц растёт, величина энергии взаимодействия растёт, как растёт и энергия связи – и приближается к 2m. Соответственно, масса атомоподобного состояния уже не равна примерно 2m. Размер атомоподобного состояния становится меньше; время, требуемое на пересечение его светом, время, требуемое на пересечение его частицами, и время, проходящее между двумя сердцебиениями частиц, начинают сравниваться между собой.

Усиление взаимодействия электрона и позитрона приводит к более частому появлению виртуальных фотонов; присутствие большего количества энергии в атоме облегчает превращение виртуального фотона в виртуальные электрон и позитрон. Когда это происходит, становится трудно сказать, какой электрон реален, а какой виртуален, поскольку между двумя электронами тоже действуют мощные силы, как и между электроном и любым из позитронов. Это может привести к тому, что частица, бывшая реальной, станет виртуальной, и сделает виртуальную частицу реальной – и обратно. А в это время виртуальные электроны и позитроны также могут испускать или поглощать фотоны, которые могут быть и виртуальными, и реальными.

Само разделение между реальными и виртуальными частицами становится сложнее провести. Реальные частицы должны быть правильно ведущими себя возмущениями квантовых полей. Но атомоподобное состояние настолько мало, что у электрона и позитрона на его пересечение уходит всего одно сердцебиение, а в этот момент мощные взаимодействия уже принудят их изменить направление. Как мы можем казать, что такая частица похожа на хорошо себя ведущее возмущение? Хорошо себя ведущая волна должна волноваться некоторое время – несколько сердцебиений – перед тем, как на неё начнут оказывать влияние внешние силы. А тут наш электрон, хотя он и больше похож на реальную частицу, чем на виртуальную, всё же сильно искажается, и уже не подходит под определение «реальной частицы». И этот электрон вообще может существовать недолго. За появлением виртуальной электрон-позитронной пары может последовать аннигиляция бывшего реального электрона с новообразованным позитроном, после чего останется возможно реальный/возможно виртуальный электрон.

Так что, вместо того, что у нас есть малое α – простая система с массой чуть меньше 2m, состоящая из электрона и позитрона, движущихся со скоростями гораздо меньше световой – при приближении α к 1 мы обнаруживаем чрезвычайно сложную систему, в которой множество частиц движется с околосветовыми скоростями, с массой, сильно отличающейся от 2m (см. рис. 1). Невозможно сказать, сколько частиц находится внутри – будем ли мы считать только реальные? Если да, каким образом точно отличить почти реальные от почти виртуальных? Количество реальных частиц может постоянно меняться.

Вот, что характеризует реально сильное взаимодействие; формируемые им объекты гораздо сложнее атомов. Учёным в каком-то смысле повезло, что первыми объектами, встреченными на пути к квантовой теории поля, были атомы. Их удерживает слабое взаимодействие – электромагнитная сила – и их было легко понять при помощи простой математики квантовой механики, в которой количество частиц постоянно. Протоны же удерживает сильное взаимодействие – сильное ядерное взаимодействие. Поэтому неудивительно, что строение протонов гораздо, гораздо сложнее, чем у атомов. Количество частиц внутри протона постоянно меняется – и для этого требуется гораздо более сложная математика квантовой теории поля.

Кстати, электрическое взаимодействие между двумя электронами слабое из-за того, что α мало. То же самое верно для взаимодействий между двумя элементарными частицами, поскольку заряды всех известных частиц находятся в промежутке от –e до e – к примеру, заряд верхних кварков равен 2/3 e. Вы можете заинтересоваться взаимодействием между электроном и ядром урана, поскольку заряд ядра урана равен 92 e. Да, в этом случае взаимодействие оказывается весьма сильным! Но в этом случае проявляется лишь часть эффектов, описанных мною для сильных взаимодействий, поскольку изменение заряда только одного из взаимодействующих объектов (в частности, тяжёлого) не увеличивает вероятность обнаружения виртуальных электрон-позитронных пар. Это изменится, только если заряд самого электрона станет гораздо больше, чем e! Так что даже атом урана остаётся значительно проще протона.

Насколько слабо слабое ядерное взаимодействие? Сложный вопрос…

Насколько сильны другие известные взаимодействия природы? Мы увидели, что у электрических взаимодействий сила равна α – по крайней мере, на микроскопическом, атомном и субатомном уровне. И на таких расстояниях, вплоть до миллионной миллионных долей метра, α постоянна. Она не зависит от r, и в частности поэтому является такой удобной мерой. Но на самом деле сила взаимодействия может меняться с расстоянием, что всё усложняет. Для электромагнетизма это не так важно, этот эффект очень мал. Но для других сил это важно.

Так называемое слабое ядерное взаимодействие, конечно же, слабое. Оно слабое на макроскопическом, атомном и даже ядерном уровне. Но его сила не постоянна. На расстояниях, больших по сравнению с ℏ c/M_W ~ 3 × 10^-18 метра (порядка 1/300 радиуса протона), где M_W = 80 ГэВ/c² — масса частицы W, его сила α_слабое примерно равна

Экспонента

делает это взаимодействие удивительно слабым! Даже на расстояниях, сравнимых с размером протона этот множитель уже равен e

^-300

, что означает уменьшение его силы на столько, что я даже не могу записать тут это число – это 1 со 130 нулями. (Это больше гугола, единицы со ста нулями). И потом эта сила быстро убывает далее. Почему? Тот же эффект, что даёт частице W (возмущению поля W) массу, делает невозможным возмущение поля W на больших расстояниях, в отличие от эффекта, оказываемого электроном или протоном на электрическом поле. Соответственно, воздействие поля W не работает на больших расстояниях.

Но и для ещё меньших расстояний

Обратите внимание, что оно в несколько раз больше, чем электромагнитная сила! Слабое взаимодействие по своей сути вовсе не слабое – см. рис. 2. Предупреждение: я не включаю сюда тонкости, связанные со взаимодействием слабого и электромагнитного взаимодействий на таких малых расстояниях, а также с очень медленным изменением силы, которое становится заметным на куда как меньших дистанциях.

Слабое взаимодействие выглядит таким слабым, при наблюдении его на примере физики ядер, атомов и повседневной жизни, огромная масса частицы W. Если бы частица W не имела массы, то воздействие «слабого» ядерного взаимодействия было бы сильнее, чем у электрического! Это ещё один контекст, в котором поле Хиггса, придающее частице W её массу, играют важную роль в наших жизнях!

Сильное ядерное взаимодействие

Сильное ядерное взаимодействие, притягивающее и отталкивающее кварки и глюоны (но не электроны) работает совсем по-другому. На расстояниях, которые мы обсуждали в случае слабого ядерного взаимодействия — 3 × 10

^-18

метра — сильное ядерное взаимодействие гораздо сильнее как слабого, так и электромагнитного:

Это не особенно сильно; это примерно в десять раз слабее по-настоящему сильного взаимодействия, и всего в десять раз сильнее электромагнетизма. На самом деле, хотя на макроскопических расстояниях они и сильно отличаются, но сильное ядерное, слабое ядерное и электромагнитное взаимодействие отличаются друг от друга всего примерно в 10 раз на расстояниях меньших, чем 3 × 10

^-18

м. Это удивительно, и, вероятно, не случайно. Оттуда и до идеи «

великого объединения

» трёх этих сил шаг совсем небольшой – есть мнение, что на гораздо меньших расстояниях все три взаимодействия обладают одной силой, и становятся частями более универсального взаимодействия.

Но на больших расстояниях сильное ядерное взаимодействие постепенно становится относительно сильным. И опять-таки напоминаю, что мы имеем в виду под «слабым» и «сильным»; взаимодействие становится слабее в абсолютном выражении при увеличении r, но по сравнению, допустим, с электромагнитным взаимодействием на той же дистанции оно становится сильнее.

Это весьма сильно! А к тому времени, как r достигает 10

^-15

м, радиуса протона, α

_{сильное}

становится больше 1 и его уже нельзя определить уникальным образом.

Короче, сильное ядерное взаимодействие, которое на расстояниях гораздо меньших радиуса протона демонстрирует умеренную силу, растёт (в относительном понимании) при увеличении расстояний, и становится реально сильным на расстоянии в 10^-15 м (это показано на рис. 2). Именно это на самом деле сильное взаимодействие создаёт протон и нейтрон, и остаточный эффект этого взаимодействия комбинирует эти объекты в ядро атома. Другие важные эффекты от усиления этого взаимодействия – преобразование высокоэнергетических кварков и глюонов в адронные струи.

Почему же сильное взаимодействие постепенно растёт при увеличении r? Это я расскажу как-нибудь в другой раз, но по сути, это очень тонкий эффект, возникающий из-за возмущений (виртуальных частиц) в полях кварков и глюонов, на которые воздействует сильное взаимодействие. Такие же эффекты влияют на слабое и электромагнитное взаимодействие, но уже не так сильно, поэтому я его раньше и не упоминал. К примеру, на расстоянии в 3 × 10^-18 м электромагнитное α становится ближе к 1/128, чем к его значению для больших расстояний, равное 1/137.

Учитывая силу сильного ядерного взаимодействия, почему же мы не сталкиваемся с ним в повседневной жизни? Это связано с тонкостями того, каким образом оно так плотно упаковывает кварки, глюоны и антикварки в протоны и нейтроны, что мы никогда не наблюдаем их отдельно. Всё это сильно отличается от того, как слабое электромагнитное взаимодействие позволяет электронам легко убегать из атомов, допуская такие явления, как статическое электричество (куда входят и молнии) и электрический ток (в том числе и по проводам).

Сила гравитации

Что насчёт гравитации? Для известных нам частиц гравитация удивительно слаба. Для двух неподвижных частиц массы m гравитация будет иметь величину

Где G

_N

— гравитационная константа Ньютона. Сравните это с электрической силой, у которой α = ke

²

/ ℏ c. Роли k и e электрических сил здесь играют G

_N

и m. Отмечу, что я использую формулу Ньютона для гравитации, но пока α

_{гравитация}

мало по сравнению с 1, эйнштейновская формула притяжения двух объектов будет по сути той же.

Теперь перепишем формулу через планковскую массу M_P = 10¹⁹ ГэВ/с², или порядка массы 10 миллионов миллионов миллионов протонов, или 20 тысяч миллионов миллионов миллионов электронов. Она равна примерно одной десятой массы крупинки соли.

Так что для двух протонов массой 1 ГэВ/с

²

гравитационное взаимодействие между ними будет выражаться квадратом 10

^-19

:

Это единица, перед которой стоит 37 нулей и десятичный разделитель! А для двух электронов

Что, поскольку масса электрона примерно в 2000 раз меньше массы протона, в 4 миллиона раз слабее. Даже для пары верхних кварков, которые почти в 200 раз тяжелее протона, и масса которых наибольшая среди масс всех известных частиц, сила гравитации будет равной

Это примерно в 100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 раз меньше электрического взаимодействия двух верхних кварков. Поэтому на рис. 2 гравитация не отображена.

Если подумать, эта удивительная слабость гравитации объясняет, почему вы (используя электрические силы, питающие ваши мускулы и удерживающие ваше тело) можете так свободно двигаться, несмотря на то, что вас притягивает целая огромная Земля. Это даже объясняет, как Земля может во столько раз превышать по размерам атом; гравитация хочет сжать Землю, но целостность атомов, чьи электрические силы сопротивляются сжатию, этому мешает. Если бы гравитационные силы были гораздо сильнее, или электрические – слабее, гравитация сжала бы Землю до гораздо меньшего размера и гораздо большей плотности.

Гравитация настолько слаба, что удивительно, что мы её вообще открыли. Почему же она стала первой известной людям силой? Потому, что это единственная сила, выживающая на очень дальних расстояниях в обычной материи.

• Слабое ядерное взаимодействие становится чрезвычайно слабым на больших расстояниях.
• Электромагнетизм выживает дольше, и хотя это взаимодействие не очень сильное, его достаточно для того, чтобы связать большую часть электронов и атомных ядер в электрически нейтральные комбинации, чьи электрически силы взаимно уничтожаются. К примеру, атом водорода не притягивает удалённый электрон, поскольку электрон в атоме водорода отталкивает его, а протон в ядре – притягивает, и две этих силы уравновешиваются.
• Сильное ядерное взаимодействие такое сильное, что связывает кварки, глюоны и антикварки в комбинации, у которых тоже проявляются похожие уравновешивающие эффекты.
• Но уравновешивать гравитацию нечем. Не существует частиц, создающих гравитационное взаимодействие, отталкивающее материю, поэтому нельзя скомбинировать две частицы так, чтобы их гравитационное воздействие на удалённые объекты уравновешивалось.

Взаимодействие Хиггса?

С 2012 года у нас есть новая пища для размышлений: взаимодействие частиц, вызываемое полем Хиггса. Не нужно путать его с эффектом, благодаря которому поле Хиггса придаёт всем известным частицам их массы; поле Хиггса может оказывать этот эффект на единичную, изолированную частицу. Это не воздействие, оно не тянет и не толкает. Но поле Хиггса может также порождать взаимодействие двух частиц; это происходит очень похоже на электромагнетизм. Однако с обычной материей это воздействие очень, очень тяжело обнаружить. На коротких расстояниях для таких частиц, как электроны, и верхние и нижние кварки, доминирующие в протоне, взаимодействие Хиггса очень слабо (слабее, чем электромагнетизм, но гораздо сильнее гравитации). На больших расстояниях, как и слабое ядерное взаимодействие, взаимодействие Хиггса становится чрезвычайно слабым, поскольку у частицы Хиггса, как и у частицы W, есть масса.

Поле Хиггса порождает взаимодействие сходное со слабым ядерным взаимодействием в том, что у него очень малая дистанция воздействия, и что оно становится неэффективным на расстояниях, больших по сравнению с ℏ c / M_h ~ 2 × 10^-18 м (1/500 радиуса протона), где M_h ≈ 125 ГэВ/c², масса частицы Хиггса. На первый взгляд формула похожа на формулу для гравитации, поскольку сила притяжения пропорциональна массам двух элементарных частиц.

Где v = 246 ГэВ, это постоянное значение поля Хиггса, существующее во всей Вселенной. (На самом деле, строго говоря в формуле есть ещё один квадратный корень из 2, но давайте упростим для улучшения понимания).

Но будьте осторожны! Схожесть с гравитацией может сбить с толку. Эта формула точно работает для известных элементарных частиц – объектов, получающих свою массу от поля Хиггса. Она работает для электронов, мюонов и кварков. Она не работает для протонов, нейтронов, атомов или вас! Оттого, что масса протона (и нейтрона, а следовательно, и атома, а следовательно, и ваша) не полностью порождается полем Хиггса. Это отличается от формулы для гравитации, которая верна для всех медленных объектов! Вместо этого в случае обычной атомной материи нам нужно было бы заменить формулу похожей, но имеющей спереди другой множитель, свой для каждого атома. Но качественно зависимость от расстояния осталась бы схожей.

Кроме того, написанная мною формула предполагает существование только одного поля Хиггса и одной частицы Хиггса (что пока ещё не доказано, но является простейшей возможностью, соответствующей полученным данным). Если это не так, формула усложнится, хотя и сохранит схожую форму.

Рис. 2

Насколько сильно это взаимодействие? На очень коротких расстояниях, короче, чем 2 × 10^-18 м, взаимодействие Хиггса для двух кварков сравнимо с сильным ядерным взаимодействием на таком же расстоянии (см. рис. 2)! Но в случае электронов, обладающих меньшей массой из-за меньшего взаимодействия с полем Хиггса, это взаимодействие даже на меньших расстояниях будет гораздо слабее электрических – больше, чем в тысячу миллионов раз слабее – хотя и в тысячи миллионов миллионов раз сильнее, чем гравитационное взаимодействие электронов. Однако, если взять два электрона в атоме, которые расположены друг от друга в десять миллионов раз дальше, чем 2 × 10^-18 м, тогда взаимодействие Хиггса между ними будет гораздо, гораздо меньше даже крохотного гравитационного взаимодействия, в e^{10 000 000} раз. И даже если бы поле Хиггса отвечало бы за всю массу протонов и нейтронов, то взаимодействие Хиггса в ядре было бы всё равно гораздо слабее гравитации, которая, в свою очередь, невероятно мала по сравнению с сильным ядерным взаимодействием, удерживающим части ядра.

Именно удивительная слабость взаимодействия Хиггса в контексте обычной материи делает его таким сложным для обнаружения. С другой стороны, взаимодействие Хиггса, как и гравитация, всегда работает на притяжение, и не уравновешивается. Но с третьей стороны, это не имеет значения, поскольку, как и слабое ядерное взаимодействие, взаимодействие Хиггса не выживает на длинных расстояниях, поскольку у частицы Хиггса, как и у частицы W, есть масса. Взаимодействие Хиггса на ультракоротких расстояниях гораздо сильнее гравитации, но на ядерных и атомных расстояниях оно гораздо слабее из-за массы частицы Хиггса. А для частиц малой массы, из которых мы состоим, слабо взаимодействующих с полем Хиггса, взаимодействие Хиггса всегда в тысячи миллионов раз слабее электрических сил, даже очень малых расстояниях.

Так что, хотя каждый атом Земли взаимодействует через Хиггса с каждым другим атомом Земли, эта сила настолько крохотна, даже для соседних атомов, а особенно – для далеко отстоящих, что её эффекта обнаружить невозможно. Поэтому нам пришлось напрямую найти частицу Хиггса, чтобы подтвердить существование поля Хиггса; мы не могли искать создаваемую им силу так, как мы можем наблюдать электрические или магнитные силы и подтверждать таким способом существование электрических и магнитных полей.

Когда же мы сможем наблюдать действие этой силы? Её воздействие будет впервые обнаружено либо при рассеянии частиц W и Z друг с другом (что рано или поздно будет проделано, не напрямую, в столкновениях протонов в Большом адронном коллайдере) или во взаимодействиях верхнего кварка и верхнего антикварка (что можно наблюдать на электрон-позитронном коллайдере – кстати, свою первую работу по физике частиц я написал именно об этом явлении).

Фундаментальные взаимодействия — Vladimir Gorunovich

Оглавление

• 1 Фундаментальные взаимодействия существующие в природе
• 1.1 Электромагнитные взаимодействия
• 1.2 Гравитационные взаимодействия
• 2 Вымышленные фундаментальные взаимодействия
• 2.1 Сильное взаимодействие
• 2.2 Слабое взаимодействие
• 2.3 Электромагнитное взаимодействие
• 2.4 Электрослабое взаимодействие
• 3 Фундаментальные взаимодействия в рамках квантовой теории
• 4 Создание единой теории фундаментальных взаимодействий
• 5 Фундаментальные взаимодействия — Итог

Под фундаментальными взаимодействиями (англ. Fundamental interactions) в микромире понимают качественно различающиеся типы взаимодействия элементарных частиц.

1 Фундаментальные взаимодействия существующие в природе

Изучая строение вещества, наличие и взаимодействия физических полей, физика экспериментально установила существование в природе следующих двух типов фундаментальных взаимодействий и их физических полей:

• Электромагнитные взаимодействия (электромагнитные поля)
• Гравитационные взаимодействия (гравитационные поля элементарных частиц)

У данных взаимодействий есть соответствующие им поля, поэтому их существование невозможно оспаривать. Все иные взаимодействия, действительно существующие в природе, должны сводиться к этим двум типам фундаментальных взаимодействий.

Утверждения некоторых абстрактных теоретических построений о том, что «сегодня достоверно известно существование четырёх фундаментальных взаимодействий (не считая поля Хиггса)» не имеют доказательств – нам выдают желаемое за наблюдаемое. Выдумать модно любую красивую «теорию», нарисовать на компьютере восхитительные картинки, будоражащие воображение, но пока не будет экспериментальных доказательств — это будет оставаться математической гипотезой, или математической сказкой. А поля Хиггса также в природе НЕТ, и масса элементарных частиц вещества Вселенной не создается этим сказочным полем.

1.1 Электромагнитные взаимодействия

Электромагнитные фундаментальные взаимодействия — один из существующих в природе двух типов фундаментальных взаимодействий. Электромагнитные фундаментальные взаимодействия существуют между частицами, обладающими электрическими полями или магнитными полями, как постоянными, так и переменными, как постоянными полями электрических зарядов и магнитных моментов, так и дипольными. Электромагнитные фундаментальные взаимодействия между участвующими элементарными частицами осуществляется только посредством электромагнитных полей. У электромагнитных фундаментальных взаимодействий можно выделить следующие компоненты:

Электрическое взаимодействие электрических полей заряженных частиц отличается своим дальнодействующим характером — сила взаимодействия между двумя зарядами спадает как вторая степень расстояния. По такому же закону спадает с расстоянием гравитационное взаимодействие. Это единственная дальнодействующая составляющая у электромагнитных фундаментальных взаимодействий. В ближней зоне электрическое поле заряженной элементарной частицы имеет дипольную структуру.

Магнитное взаимодействие магнитных полей элементарных частиц, обладающих магнитным моментом, отличается своим короткодействующим характером — сила взаимодействия между двумя магнитными моментами в дальней зоне (на расстояниях, значительно превышающих размеры элементарной частицы) спадает как третья степень расстояния.

Электрическое взаимодействие электрических полей нейтральных элементарных частиц, не обладающих электрическим зарядом, но обладающих дипольным электрическим полем, отличается своим короткодействующим характером — сила взаимодействия между двумя дипольными электрическими моментами в дальней зоне (на расстояниях, значительно превышающих размеры элементарной частицы) спадает как третья степень расстояния. По такому же закону спадает с расстоянием магнитное взаимодействие.

Магнитное взаимодействие магнитных дипольных полей нейтральных элементарных частиц, обладающих магнитным дипольным моментом, отличается своим особо короткодействующим характером — сила взаимодействия между двумя дипольными магнитными моментами в дальней зоне (на расстояниях, значительно превышающих размеры элементарной частицы) спадает как четвертая степень расстояния.

Электромагнитные взаимодействия элементарных частиц намного сильнее гравитационного, но их интенсивность зависит не только от величин зарядов и токов, но и от размеров участвующих частиц.

Электромагнитные взаимодействия описываются классической электродинамикой.

В электромагнитных взаимодействиях могут принимать участие объекты, обладающие хотя бы одной из следующих составляющих:

• электрическим зарядом,
• электрическим дипольным полем,
• магнитным моментом,
• магнитным дипольным полем,
• переменным электромагнитным полем.

Таковыми являются все из известных элементарных частиц, поэтому утверждение, что электронное нейтрино не участвует в электромагнитных взаимодействиях — НЕ соответствует действительности.

1.2 Гравитационные взаимодействия

В 20 веке считалось, что Гравитационное взаимодействие — универсальное фундаментальное взаимодействие между всеми материальными телами. Но поскольку физика установила структуру материальных тел и природу гравитации, то наши знания о гравитации в начале 21 века существенно изменились.

Под гравитационными взаимодействиями понимаются взаимодействия векторных гравитационных полей элементарных частиц вещества Вселенной. Прежнее понимание гравитации и математические сказки 20 века, связанные с гравитацией, остаются в прошлом. В природе существует не гравитационное поле некоторого абстрактного вещества массой m, а суперпозиция векторных гравитационных полей, создаваемых элементарными частицами вещества, зависящих не только от величины массы элементарных частиц источников гравитации, но и от ориентации их спинов, а математика тут иная. Поэтому, всякое материальное вещество, тепловым движением своих атомов, создает в окружающем пространстве гравитационные волны.

Природа гравитационных свойств элементарных частиц и распространение гравитационных полей в пространстве описана в Теории гравитации элементарных частиц.

2 Вымышленные фундаментальные взаимодействия

Поскольку математическим моделям физики 20 века не хватило существующих в природе взаимодействий, для описания поведения открытых элементарных частиц, им пришлось остальные ВЫДУМАТЬ.

2.1 Сильное взаимодействие

Сначала цитата из мировой Википедии: «Сильное ядерное взаимодействие (цветовое взаимодействие, ядерное взаимодействие) — одно из четырёх фундаментальных взаимодействий в физике. В сильном взаимодействии участвуют кварки и глюоны и составленные из них частицы, называемые адронами (барионы и мезоны). Оно действует в масштабах порядка размера атомного ядра и менее, отвечая за связь между кварками в адронах и за притяжение между нуклонами (разновидность барионов — протоны и нейтроны) в ядрах.«

Налицо надувательство в физике. В природе существуют ядерные взаимодействия — это есть факт, а остальное — ВЫМЫСЕЛ. К действительно существующему в природе ядерному взаимодействию (которое можно свести к суперпозиции взаимодействий электромагнитных полей элементарных частиц) пристыковываются сказочные кварки со сказочными глюонами — нас пытаются надуть. В природе НЕ найдены кварки и НЕ найдены глюоны, а псевдонаучная сказочка под названием «конфайнмент» — это издевательство над законами природы. Никто НЕ доказал, что барионы состоят из сказочных кварков. За якобы наблюдаемые следы сказочных кварков, нам пытаются вдуть следствия волнового переменного электромагнитного поля элементарных частиц. Ну а сказочный обмен виртуальными частицами противоречит законам природы.

2.2 Слабое взаимодействие

Цитата из мировой Википедии «Слабое ядерное взаимодействие — фундаментальное взаимодействие, ответственное, в частности, за процессы бета-распада атомных ядер и слабые распады элементарных частиц, а также нарушения законов сохранения пространственной и комбинированной чётности в них. Это взаимодействие называется слабым, поскольку два других взаимодействия, значимые для ядерной физики и физики высоких энергий (сильное и электромагнитное), характеризуются значительно большей интенсивностью. Однако оно значительно сильнее четвёртого из фундаментальных взаимодействий, гравитационного.

Слабое взаимодействие является короткодействующим — оно проявляется на расстояниях, значительно меньших размера атомного ядра (характерный радиус взаимодействия 2·10^-18 м).

Переносчиками слабого взаимодействия являются векторные бозоны W⁺, W^— и Z⁰. При этом различают взаимодействие так называемых заряженных слабых токов и нейтральных слабых токов. Взаимодействие заряженных токов (при участии заряженных бозонов W^±) приводит к изменению зарядов частиц и превращению одних лептонов и кварков в другие лептоны и кварки. Взаимодействие нейтральных токов (при участии нейтрального бозона Z⁰) не меняет заряды частиц и переводит лептоны и кварки в те же самые частицы.»

А теперь, правда. Доказательствами существования в природе слабого взаимодействия физика по-прежнему НЕ располагает — нам подсовывают математическую СКАЗКУ и хотят, чтобы мы ее приняли на веру.

Утверждение о том, что слабое взаимодействия якобы проявляется на расстояниях 2·10^-18 м – это сказка. Элементарные частицы не являются точечными объектами – для сжатия электромагнитных полей элементарных частиц потребуется энергия. Так линейные размеры нейтрона (якобы распадающегося по слабому взаимодействию) на два порядка выше характерного радиуса взаимодействия – это что: в одном крохотном участке нейтрона слабое взаимодействие действует, а в соседних участках уже нет? Известные физике элементарные частицы с ненулевой величиной массы покоя обладают линейными размерами, превосходящими характерный радиус слабого взаимодействия, многие значительно – тогда что и с чем так «взаимодействует».

Законы природы потому и являются законами, что они существуют объективно и работают. А если что-то нарушается, то значит это НЕ закон природы, а некоторая математическая абстракция, подсовываемая нам в качестве якобы закона природы.

Более точное название группы элементарных частиц W⁺, W^— и Z⁰ — не векторные бозоны, а векторные мезоны. В природе имеется группировка элементарных частиц с целым спином: векторных мезонов, часть из которых нам подсовывают в качестве переносчиков слабого взаимодействия. У данной искусственно выбранной группки векторных мезонов спин равен единице. Каждая элементарная частица из векторных мезонов, в том числе и нейтральная, обязательно имеет собственную античастицу, отличающуюся знаком электрического заряда (для заряженных частиц) и знаком магнитного момента (для нейтральных частиц). У W⁺ векторного мезона имеется такая античастица: W^— векторный мезон. Аналогично и Z⁰ векторный мезон имеет собственную античастицу. Но если Z⁰ векторный мезон переносит слабое взаимодействие, то за какое взаимодействие в природе отвечает его античастица — за Анти-слабое? Но ведь такого взаимодействия еще не выдумали. Ну а если античастица также отвечает за слабое, то зачем природе дублирование части «переносчиков» взаимодействия.

Переносчиков слабого взаимодействия в природе НЕТ — в природе имеется группировка элементарных частиц с целым спином: векторных мезонов, которые нам подсовывают в качестве этих переносчиков. Физика уже экспериментально открыла около 10 таких элементарных частиц, они обладают свойствами, характерными для векторных мезонов.

Кварков в природе НЕТ, а что касается бета-распадов, то согласно полевой теории элементарных частиц, в основе механизма распада элементарных частиц лежит стремление каждой элементарной частицы, перейти на более низкий энергетический уровень (аналогичное наблюдаем в атоме и атомном ядре). Оно ограничено законами природы, наличием других элементарных частиц и их энергетическими уровнями, но это уже из научных открытий физики 21 века.

2.3 Электромагнитное взаимодействие

Цитата из мировой Википедии «Электромагнитное взаимодействие — одно из четырёх фундаментальных взаимодействий. Электромагнитное взаимодействие существует между частицами, обладающими электрическим зарядом. С современной точки зрения электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами осуществляется не прямо, а только посредством электромагнитного поля.

С точки зрения квантовой теории поля электромагнитное взаимодействие переносится безмассовым бозоном — фотоном (частицей, которую можно представить как квантовое возбуждение электромагнитного поля). Сам фотон электрическим зарядом не обладает, но может взаимодействовать с другими фотонами путём обмена виртуальными электрон-позитронными парами.

Из фундаментальных частиц в электромагнитном взаимодействии участвуют также имеющие электрический заряд частицы: кварки, электрон, мюон и тау-лептон (из фермионов), а также заряженные калибровочные W^±-бозоны. Остальные фундаментальные частицы Стандартной Модели (все типы нейтрино, бозон Хиггса и переносчики взаимодействий: калибровочный Z⁰-бозон, фотон, глюоны) электрически нейтральны.»

А теперь, правда.

Из существующих в природе электромагнитных взаимодействий (см. пункт 1.1) под разрабатываемые теоретические построения подходило только одно — электрическое взаимодействие электрических полей заряженных частиц, отличающееся своим дальнодействующим характером, у которого сила взаимодействия между двумя зарядами спадает как вторая степень расстояния (именно то, что требовалось квантовой «теории»). Его и выбрали, обозвав электромагнитным взаимодействием, а про остальные позабыли. При этом, начисто забыли о взаимодействиях магнитных полей элементарных частиц, и получилась Сказка для самых маленьких.

Почему взаимодействия электрических полей элементарных частиц обязательно должны переноситься, в нарушение законов природы. Потребность этого со стороны квантовой «теории» не является доказательством существования в природе такого механизма распространения фундаментальных взаимодействий. И утверждение о квантовом возбуждении электромагнитного поля – это очередная математическая сказка. И какую бы математическую сказку ни сочинили о фотоне – фотон все равно останется одиночной электромагнитной волной волнового переменного электромагнитного поля и остается электрически нейтральным. А за взаимодействия электрических полей заряженных элементарных частиц электрически нейтральный фотон никак отвечать не может.

2.4 Электрослабое взаимодействие

Цитаты из мировой Википедии «Стандартная модель физики элементарных частиц описывает электромагнитное взаимодействие и слабое взаимодействие как разные проявления единого электрослабого взаимодействия, теорию которого разработали около 1968 года Ш. Глэшоу, А. Салам и С. Вайнберг. За эту работу они получили Нобелевскую премию по физике за 1979 год.

В физике элементарных частиц электрослабое взаимодействие является общим описанием двух из четырёх фундаментальных взаимодействий: слабого взаимодействия и электромагнитного взаимодействия. Хотя эти два взаимодействия очень различаются на обычных низких энергиях, в теории они представляются как два разных проявления одного взаимодействия. При энергиях выше энергии объединения (порядка 100 ГэВ) они соединяются в единое электрослабое взаимодействие.

Теория электрослабого взаимодействия представляет собой созданную в конце 60-х годов 20-го века С. Вайнбергом, Ш. Глэшоу, А. Саламом единую (объединённую) теорию слабого и электромагнитного взаимодействий кварков и лептонов, осуществляемых посредством обмена четырьмя частицами — безмассовыми фотонами (электромагнитное взаимодействие) и тяжёлыми промежуточными векторными бозонами (слабое взаимодействие). Причём фотон и Z-бозон являются суперпозицией других двух частиц — B⁰ и W⁰.

Математически объединение осуществляется при помощи калибровочной группы SU(2) × U(1). Соответствующие калибровочные бозоны — фотон (электромагнитное взаимодействие) и W- и Z-бозоны (слабое взаимодействие). В Стандартной модели калибровочные бозоны слабого взаимодействия получают массу из-за спонтанного нарушения электрослабой симметрии, вызванного механизмом Хиггса.

После открытия бозона Хиггса, поле Хиггса стали называть пятым фундаментальным взаимодействием. В 2016 году появились предположения, что пятое взаимодействие может быть связано с новой частицей — протофобным X-бозоном, которая вступает в реакции только с электронами и нейтронами, а также входит в состав темного сектора природы.»

Действительность заключается в том, что в природе НЕТ электромагнитного взаимодействия, а есть электромагнитные взаимодействия, и это разные понятия. В природе также НЕТ слабого взаимодействия — физика НЕ установила существования соответствующего ему физического поля, нам просто подсовывают очередную математическую СКАЗКУ.

Сказочный бозон Хиггса никто не открыл. Нам под видом якобы открытого бозона Хиггса пытаются подсунуть вновь открытую обыкновенную элементарную частицу — векторный мезон. — На два фотона могут распадаться мезоны со спином 0 (такие, как π⁰ и η⁰) а также векторные мезоны со спином 2. Наличие у элементарной частицы канала двух-фотонного распада, не является доказательством, что перед нами «бозон Хиггса». Когда физики в 1950 году открыли π⁰ мезон, обладающий двух-фотонным распадом, никому и в голову не приходило, что открыт очередной бозон Хиггса — «источник массы во Вселенной», поскольку тогда эту математическую сказку еще не выдумали.

Ошибочные решения нынешнего состава Нобелевского комитета по физике, к сожалению, стали обычным явлением. Это далеко не последний случай, когда Нобелевскую премию по физике присудили за математическую СКАЗКУ.

Утверждение о том, что элементарная частица ФОТОН является суперпозицией других двух частиц B⁰ и W⁰ — бозонов — это надувательство в физике. Математические СКАЗКИ допускают все на свете, а физика такого НЕ установила.

Ну а механизм Хиггса это другая математическая СКАЗКА, за которую также присудили Нобелевскую премию по «физике». Вот только Теория гравитации элементарных частиц установила природный источник массы у элементарных частиц и природный механизм ее образования, НЕ имеющий НИЧЕГО общего со сказкой о бозоне Хиггса. — Но это уже из научных открытий физики 21 века

3 Фундаментальные взаимодействия в рамках квантовой теории

Квантовая теория бездоказательно утверждает о наличии следующих фундаментальных взаимодействий:

Фундаментальные взаимодействия (в рамках квантовой теории)
∙ Сильное ядерное взаимодействие; ∙ Электромагнитное взаимодействие ∙ Слабое взаимодействие ∙ Гравитация

• Действительно существующие в природе, ядерные взаимодействия были приписаны не существующим в природе кваркам, осуществляющим виртуальный обмен (в нарушение законов природы) не существующими в природе глюонами.
• Из электромагнитных взаимодействий квантовая теория учитывает только взаимодействия электрических полей заряженных частиц, называя их электромагнитным взаимодействием. Взаимодействия магнитных полей, наличие которых у элементарных частиц доказано экспериментально, попросту игнорируются.
• Слабого взаимодействия в природе нет.
• Такое понимание гравитации, существующей самой по себе, породило сказочку о черных дырах.

А ведь магнитные поля значительно сильнее электрических и обладают короткодействующим характером. — Но тогда для их учета придется начать использовать классическую электродинамику (вместо квантовой электродинамики) и квантовая теория будет вынуждена перейти на фундамент полевой теории элементарных частиц. А если к этому добавить еще главенство закона сохранения энергии и забыть об виртуальных частицах, то микромир увидится совсем по другому — это уже будет не квантовый мир.

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.

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 — Итог

Физика, изучая природу, экспериментально установила существование в природе только двух типов фундаментальных взаимодействий:

• электромагнитных взаимодействий электромагнитных полей элементарных частиц вещества Вселенной,
• взаимодействий векторных гравитационных полей элементарных частиц вещества Вселенной.

Физика не установила существования в природе слабого поля, и не пока — а вообще. Что касается сказочных переносчиков сказочного слабого взаимодействия: W⁺, W^— и Z⁰ -бозонов (или по научному векторных мезонов), в природе у каждого векторного мезона, даже с нулевым электрическим зарядом, обязательно существует своя античастица, в том числе и у Z⁰ -векторного мезона, а W^— -векторный мезон — это античастица W⁺ -векторному мезону. Просто из найденных в природе векторных мезонов взяли кучку из трех элементарных частиц и навесили на них ярлыки переносчиков сказочного слабого взаимодействия.

Физика также не установила существования в природе глюонного поля, как и самих его сказочных переносчиков — глюонов, поскольку для подходящих под такую «теорию» частиц не оказалось места в спектре элементарных частиц природы. Не на кого было навесить ярлык переносчика сказочного сильного взаимодействия сказочных кварков.

Введение в 2016 году сказочного пятого фундаментального взаимодействия ничего общего с ФИЗИКОЙ-НАУКОЙ НЕ имеет.

Математические теории — СКАЗКИ попытались переписать действительно существующие в природе фундаментальные взаимодействия под себя и добавить недостающие, для подгонки под экспериментальные данные, но доказательствами их существования в природе физика НЕ располагает. Математических теорий можно сочинить столько, сколько есть авторов, желающих это сделать — а Вселенная существует одна, и ей нет дела до нас и литературного творчества авторов от науки.

Таким образом, как и в начале XX века, известные в природе силы по-прежнему сводятся только к двум типам фундаментальных взаимодействий. Существование в природе прочих типов фундаментальных взаимодействий требуется доказать — а не постулировать.

Владимир Горунович

Заочная физико-математическая школа

Заочная физико-математическая школа СУНЦ НГУ – это система дистанционного обучения, обеспечивающая доступ для школьников из любой точки России и СНГ к качественному образованию.

Особенностью подхода в обучении является не только то, что школьник получает оценку за выполненную работу, но и развернутый комментарий по своей работе, а также методические рекомендации для ликвидации существующих пробелов.

Школьники, успешно прошедшие обучение, получают приглашение в Летнюю школу СУНЦ НГУ, которая является обязательным этапом отбора для учебы в СУНЦ НГУ.

Учеба в ЗФМШ способствует развитию самостоятельного и логического мышления, расширяет кругозор школьников, создает оптимальные условия для их интеллектуального развития и профессиональной ориентации.

Качественное образование

За каждым школьником закрепляется преподаватель СУНЦ НГУ или НГУ – второго университета в России согласно международным рейтингам. Преподаватель проверяет работы и дает рекомендации.

Углубленное изучение предметов

Обучение в Заочной школе готовит школьников к самостоятельному решению задач олимпиадного уровня, успешной сдаче ЕГЭ и обучению в ведущих университетах России.

Обучение без границ

Возможность для школьников общеобразовательных школ, расположенных в удаленных от научных центров пунктах и территориях, углубленно заниматься математикой, физикой, химией, биологией, геологией и иностранными языками.

Круглогодичное обучение

Начать обучение в Заочной школе можно в любое время.

Возможность стать учеником СУНЦ НГУ

Школьники, успешно прошедшие обучение в ЗФМШ, получают приглашение в Летную школу СУНЦ НГУ.

     

Контакты

Часы работы
с 9-00 до 17-00, без обеда, кроме субботы и воскресенья

Адрес
630090, Новосибирск, ул. Ляпунова, 3, Заочная школа СУНЦ НГУ

Телефон
+7 (383) 363-40-66

Электронная почта
[email protected]

В чем суть теории всего

Для других поиск объединенной физики подобен охоте на огромного белого кита и представляет собой ускользающее, возможно, даже  несуществующее преследование. «Сегодня поиск объединения всего, на мой взгляд, может оказаться весьма непродуктивным», — подчеркивает физик-теоретик Карло Ровелли (Carlo Rovelli) из Центра теоретической физики (Centre for Theoretical Physics) в Марселе, Франция. Хельге Краг (Helge Kragh), историк физики из Орхусского университета (Aarhus University), Дания, обозначает более фундаментальную проблему: даже если мы на самом деле сможем найти перспективного кандидата и наши мозги будут подготовлены для полного понимания подобной теории, кто сможет сказать, что это и есть конец пути. «У нас нет возможности понять, будет ли это окончательной теорией», — подчеркивает он. Тем временем существующие теории природы, хотя они и далеки от совершенства, проделывают отличную работу в области поддержки технологических инноваций, улучшающих нашу жизнь. Настало время задать вопрос: какой смысл в теории всего?

Унификация является движущей силой в физике, по крайней мере со времен Ньютона. Для случайных наблюдателей неба 1660-х годов движение небесных тел представляло собой большую загадку. Почему некоторые звезды остаются на одном месте днем и ночью, тогда как другие перемещаются в темноте. У Ньютона, изучавшего данную проблему в своем доме в удаленной части Линкольншира во время Великой чумы, была на этот счет своя идея. Та сила, которая заставляет планеты и звезды перемещаться в пространстве, является той же самой силой, которая заставляет предметы на Земле падать вниз. Это универсальная сила, существующая между двумя телами, которая зависит только от их массы и от расстояния между ними. Если понять это, то становится ясно, каким образом планеты, находящиеся недалеко от Земли, по-разному перемещаются по небесному своду в зависимости от гравитации Солнца, тогда как удаленные звезды остаются неподвижными относительно друг друга.

Догадка Ньютона позволила объединить небесную и земную сферы, которые ранее считались несовместимыми. Его четкий набор универсально действующих уравнений позволил создать шаблон для будущих поколений физиков, а также предоставил возможность инженерам рассчитать все известные силы и вращающие моменты, что способствовало созданию машин в ходе индустриальной революции.

Перенесемся на 200 лет вперед, когда Джеймс Максвелл (James Clerk Maxwell) совершил подобный революционный акт унификации. В 1860-х годах он доказал, что электричество и магнетизм являются двумя гранями одной и той же силы — электромагнетизма. Таким образом, объединяющий набор уравнений Максвелла показал, что свет представляет собой форму электромагнитного излучения, и это открытие послужило началом века электричества, в котором мы сейчас живем и в котором мы имеем возможность пользоваться всем — от радиоприемника до смартфона.

Единство – сила

Сегодняшние теории всего намерены продолжать движение по этому пути. В настоящее время мы считаем, что все физические явления можно объяснить действием четырех фундаментальных сил. Существует гравитация, сила притяжения между объектами, обладающими массой, которую описал Ньютон, и электромагнетизм Максвелла, взаимодействие между телами с электрическими зарядами. Электромагнетизм отвечает за «контактные» силы. Это объясняет, например, почему, несмотря на гравитацию, вы не проваливаетесь сквозь стул, на котором вы сидите.  Две другие силы регулируют процессы, происходящие на субатомарном уровне: сильные ядерные силы удерживают вместе протоны и нейтроны в ядре атома, тогда как слабые ядерные силы управляют такими вещами, как радиоактивный распад. Теория всего показала бы, что все эти четыре силы на самом деле представляют собой одно и то же, но в скрытом виде.

В 1967 году, спустя столетие после Максвелла, теоретики Стивен Вейнберг (Steven Weinberg), Абдус Салам (Abdus Salam) и Шелдон Глэшоу (Sheldon Glashow) сделали первый шаг в этом направлении. Они показали, что при очень высоких энергиях, которые в последний раз проявили себя в первую триллионную долю секунды образования вселенной, электромагнитные силы и слабые ядерные силы соединились вместе и образовали слабые электрические силы. Хотя пока еще никто не смог убедительно соединить сильную ядерную силу со слабой электрической, эти две силы прекрасно работают вместе в форме стандартной модели, объясняющей, каким образом элементарные частицы из кварков взаимодействуют с бозонами Хиггса.

Кротовая нора — пространственно-временные туннели

Гравитация, однако, продолжает оставаться проблемным ребенком. На сегодняшний день лучшее объяснение этой силы было дано в общей теории относительности Эйнштейна. Она заменяет теорию Ньютона и объясняет, каким образом масса искривляет пространство и время для производства гравитации. Однако общая теория относительности требует гладкого пространства-времени, конфликтующего с вероятностной шероховатостью, необходимой для таких квантовых сил, как слабые электрические силы и сильные ядерные силы.  Результатом является набор уравнений для очень малых феноменов, таких как взаимодействие между частицами, а также еще один набор для очень больших вещей — таких, как звезды и галактики.

Так что же происходит, когда большое встречается с малым? «Существует только одна природа, и поэтому, предположительно, она формирует единое целое, — подчеркивает Мэтт Страсслер (Matt Strassler) из Гарвардского университета. — Конечно, будут возникать ситуации, когда нужно будет применять два набора уравнений одновременно, и тогда вы столкнетесь с противоречиями».

Возьмем, к примеру, черные дыры, которые в своем центре имеют массу звезды, сжатую в небольшом пространстве. Или условия, существовавшие в самом начале, когда вся масса вселенной и вся энергия были сконцентрированы в бесконечно малой точке. Какая теория, большая или малая, управляет их поведением?

И еще — почему нас должно это беспокоить? В отличие от ньютоновских объединяющих законов движения или электромагнетизма Максвелла, дальнейшие попытки унификации, как представляется, вряд ли революционизируют в ближайшее время наши технологии. Теории Ньютона и Максвелла действуют в обычных условиях, однако эти четыре силы могут быть объединены только при выделении энергии примерно в квадриллион раз больше той, которая возникает при столкновении частиц внутри Большого андронного коллайдера в Женеве, отмечает Митио Каку (Michio Kaku), физик и футурист Сити-колледжа Нью-Йорка (City College of New York). Вероятно, потребуется еще 100 тысяч лет, прежде чем мы сможем создать ускорители частиц, достаточно большие для того, чтобы достичь таких энергий, и нам для этого понадобится инфраструктура масштабов всей солнечной системы, считает Каку.

Если в будущем люди когда-нибудь смогут производить и контролировать энергию в таких масштабах, то они, несомненно, создадут изобилие новых технологических возможностей. «Они тогда смогут начать играть со временем и пространством», — полагает Каку. Мы сможем, например, открыть пространственно-временные туннели, которые позволят нам перемещаться между отдаленными точками пространства-времени. Подобные гипотетические объекты, как считают, начинаются как небольшие квантовые флуктуации в ткани пространства-времени, и они склонны так же неожиданно и резко исчезать, как они и появляются. Понимание того, как держать их открытыми в необходимых размерах, требует создания теории, которая будет охватывать пузырчатую квантовую физику очень малых предметов с гладкой, масштабной областью общей теории относительности. «Для этого нам необходима теория всего», — подчеркивает Каку.

Путешествием во времени через 100 тысяч лет, судя по всему, сложно оправдать усилия, которые стоят денег в настоящем. Однако неверно оценивать поиски теории всего только лишь с точки зрения достижения обычных технологических преимуществ, считает Питер Войт (Peter Woit), физик математик из Колумбийского университета в Нью-Йорке. Если историю вообще можно воспринимать как советчика, то существуют неплохие шансы того, что дальнейшая унификация приведет нас к новым местам, и они не обязательно будут такими, какими мы их ожидаем увидеть. «Когда мы находили подобные вещи в прошлом, и они оказывались верными, в интеллектуальном плане они действительно представляются весьма интересными. Возникало в определенной мере неожиданное прозрение или новая идея, при взгляде на которую внезапно может возникнуть объяснение многого из того, чего мы раньше не понимали», — отмечает Войт.

Оригинал публикации: What is the point of a theory of everything

Полный текст статьи читайте на сайте ИноСМИ>>

23.1 Четыре основных силы

Передача четырех основных сил

Подобно тому, как это беспокоило Эйнштейна до формулировки теории гравитационного поля, концепция сил, действующих на расстоянии, сильно беспокоила физиков, работающих с частицами. То есть, как один протон узнает о существовании другого? Кроме того, что заставляет один протон отталкивать второй протон? Или, если на то пошло, что такого в протоне, что заставляет нейтрон притягиваться? Эти загадочные взаимодействия были впервые рассмотрены Хидеки Юкавой в 1935 году и заложили основу для большей части того, что мы теперь понимаем о физике элементарных частиц.

Хидеки Юкава сосредоточился на мощном ядерном взаимодействии и, в частности, на его невероятно малой дальности действия. Его идея представляла собой смесь частиц, теории относительности и квантовой механики, которая была применима ко всем четырем силам. Юкава предположил, что ядерная сила фактически передается посредством обмена частицами, называемыми частицами-носителями, и что то, что мы обычно называем силовым полем, состоит из этих частиц-носителей. Специально для сильного ядерного взаимодействия Юкава предположил, что ранее неизвестная частица, называемая пионом, обменивается между нуклонами, передавая силу между ними.На рис. 23.3 показано, как пион переносит силу между протоном и нейтроном.

Рис. 23.3. Сильное ядерное взаимодействие передается между протоном и нейтроном путем создания пиона и обмена им. Пион, созданный из-за временного нарушения закона сохранения массы-энергии, перемещается от протона к нейтрону и снова захватывается. Это не наблюдается напрямую и называется виртуальной частицей. Обратите внимание, что протон и нейтрон меняют идентичность в процессе. Диапазон силы ограничен тем фактом, что пион может существовать только короткое время, допускаемое принципом неопределенности Гейзенберга.Юкава использовал конечный диапазон сильного ядерного взаимодействия, чтобы оценить массу пиона; чем короче диапазон, тем больше масса частицы-носителя.

В сильном взаимодействии Юкавы предполагается, что частица-носитель передается со скоростью света и непрерывно перемещается между двумя показанными нуклонами. Частица, предсказанная Юкавой, была наконец открыта в космических лучах в 1947 году. Ее имя, пион, означает пи-мезон, где мезон означает со средней массой ; это средняя масса, потому что она меньше нуклона, но больше электрона.Юкава запустил поле, которое теперь называется квантовой хромодинамикой, а частицы-носители теперь называются глюонами из-за их сильной связывающей способности. Причина изменения имени частицы будет объяснена при обсуждении кварков далее в этом разделе.

Как вы можете предположить, сильное взаимодействие — не единственное взаимодействие с частицей-носителем. Ядерный распад из-за слабого взаимодействия также требует переноса частиц. В слабую силу входят следующие три: слабый отрицательный носитель, W ^— ; слабый положительный носитель W ⁺ ; и нулевой носитель заряда Z ⁰ .Как мы увидим, Ферми сделал вывод, что эти частицы должны нести массу, поскольку полная масса продуктов ядерного распада немного больше, чем полная масса всех реагентов после ядерного распада.

Частица-носитель электромагнитной силы, что неудивительно, является фотоном. В конце концов, точно так же, как лампочка может излучать фотоны из заряженной вольфрамовой нити, фотон можно использовать для передачи информации от одной электрически заряженной частицы к другой. Наконец, гравитон — предполагаемая частица-носитель гравитации.Хотя он еще не найден, ученые в настоящее время ищут доказательства его существования (см. «Безграничная физика: поиск гравитона»).

Так как же частица-носитель передает фундаментальную силу? На рисунке 23.4 показан виртуальный фотон, передаваемый от одной положительно заряженной частицы к другой. Прошедший фотон называется виртуальной частицей, потому что его нельзя непосредственно наблюдать во время передачи силы. На рис. 23.5 показан способ графического изображения обмена виртуальным фотоном между двумя положительно заряженными частицами.Этот график зависимости времени от положения называется диаграммой Фейнмана в честь разработавшего его гениального американского физика Ричарда Фейнмана (1918–1988).

Рис. 23.4 Изображение в части (а) показывает обмен виртуальным фотоном, передающим электромагнитную силу между зарядами, точно так же, как виртуальный обмен пионами переносит сильную ядерную силу между нуклонами. Изображение в части (b) показывает, что фотон нельзя непосредственно наблюдать во время его прохождения, потому что это нарушит его и изменит силу.В этом случае фотон не достигает другого заряда.

Рис. 23.5. Диаграмма Фейнмана для обмена виртуальным фотоном между двумя положительно заряженными частицами показывает, как передается электромагнитная сила в квантовомеханическом масштабе. Время отображается вертикально, а расстояние — горизонтально. Видно, что две положительно заряженные частицы отталкиваются друг от друга за счет обмена фотонами.

Диаграмму Фейнмана следует читать снизу вверх, чтобы показать движение частиц во времени.На нем вы можете видеть, что левый протон движется влево от излучения фотона, в то время как правый протон чувствует импульс вправо, когда фотон принимается. Помимо диаграммы Фейнмана, Ричард Фейнман был одним из теоретиков, которые разработали область квантовой электродинамики (КЭД), которая дополнительно описывает электромагнитные взаимодействия в субмикроскопическом масштабе. За эту работу он разделил Нобелевскую премию 1965 года с Джулианом Швингером и С.И. Томонагой. Диаграмму Фейнмана, объясняющую сильное силовое взаимодействие, выдвинутое Юкавой, можно увидеть на рисунке 23.6. Здесь вы можете увидеть изменение типа частицы из-за обмена пи-мезоном.

Рисунок 23.6 На изображении показана диаграмма Фейнмана для обмена π + (пион) между протоном и нейтроном, несущим между собой сильное ядерное взаимодействие. Эта диаграмма представляет ситуацию, более наглядно показанную на Рисунке 23.3.

Относительные массы перечисленных частиц-носителей описывают нечто ценное в четырех фундаментальных силах, как это видно в Таблице 23.2. W-бозоны (состоящие из W − W− и W + W + бозонов) и Z-бозоны (Z0Z0-бозоны), носители слабого ядерного взаимодействия, почти в 1000 раз массивнее пионов, переносчиков сильного ядерного взаимодействия.В то же время расстояние, на которое может быть передана слабая ядерная сила, примерно в 11 000–11 000 раз превышает расстояние передачи сильной силы. В отличие от частиц-носителей, которые имеют ограниченный диапазон, фотон является безмассовой частицей, у которой нет ограничений на расстояние передачи электромагнитной силы. Это соотношение приводит ученых к пониманию того, что еще не обнаруженный гравитон, вероятно, также безмассовый.

Усилие	Несущая частица	Диапазон	Относительная прочность [1]
[1] Относительная сила основана на сильной силе, ощущаемой парой протон-протон.
Плотность	Гравитон (теоретически)	∞ ∞	10−3810−38
Слабая	W- и Z-бозоны	∞ ∞	10−210−2
Электромагнитный	Фотон	10-18 м 10-18 м	10-13 10-13
Сильный	Pi-мезоны или пионы (теперь известные как глюоны)	10-15м10-15м	1

Таблица 23.2 Частицы-носители и их относительные массы по сравнению с пионами для четырех фундаментальных сил

Безграничная физика

В поисках гравитона

От универсального закона тяготения Ньютона до уравнений поля Эйнштейна гравитация была в центре внимания ученых на протяжении веков. Учитывая открытие частиц-носителей в двадцатом веке, важность понимания гравитации снова привлекла интерес выдающихся физиков во всем мире.

Когда частицы-носители обнаружены для трех из четырех фундаментальных сил, ученые понимают, что подобная частица, названная гравитоном, должна существовать для гравитационной силы. Хотя доказательства существования этой частицы еще предстоит обнаружить, ученые усердно работают, чтобы обнаружить ее существование.

Итак, что ученые думают о необнаруженной частице? Во-первых, гравитон (как и фотон) должен быть безмассовой частицей, движущейся со скоростью света.Это предполагается, потому что, как и электромагнитная сила, гравитация является законом обратных квадратов, F≈1r2F≈1r2. Ученые также предполагают, что гравитон является электрически нейтральной частицей, поскольку пустое пространство под действием силы тяжести не имеет заряда.

Однако, поскольку гравитация — такая слабая сила, поиск гравитона привел к появлению некоторых уникальных методов. LIGO, гравитационно-волновая обсерватория с лазерным интерферометром, является одним из инструментов, используемых в настоящее время (см. Рис. 23.7). Хотя поиск гравитационной волны для обнаружения частицы-носителя может показаться нелогичным, это похоже на подход, использованный Планком и Эйнштейном, чтобы узнать больше о фотоне.Согласно дуальности волна-частица, если гравитационная волна может быть обнаружена, гравитон должен присутствовать вместе с ней. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, ученые наблюдали за двойными звездными системами на предмет наличия этих гравитационных волн.

Рис. 23.7 В поисках гравитационных волн ученые используют лазерную интерферометрическую обсерваторию гравитационных волн (LIGO). Здесь мы видим диспетчерскую LIGO в Хэнфорде, штат Вашингтон.

Ускорители частиц, такие как Большой адронный коллайдер (LHC), используются для поиска гравитона посредством столкновений высоких энергий.Хотя ученые на LHC предполагают, что частица может существовать недостаточно долго, чтобы ее можно было увидеть, доказательства ее предшествующего существования, такие как следы на песке, можно найти через пробелы в прогнозируемой энергии и импульсе.

Некоторые ученые даже ищут остатки Большого взрыва, пытаясь найти гравитон. Наблюдая за космическим фоновым излучением, они ищут аномалии в гравитационных волнах, которые предоставят информацию о гравитационных частицах, существовавших в начале существования нашей Вселенной.

Независимо от используемого метода, ученые должны знать гравитон, как только они его найдут. Безмассовая, беззарядная частица со спином 2 и движущаяся со скоростью света — нет другой частицы, подобной ей. Если бы он был найден, будущие поколения наверняка сочли бы его открытие наравне с открытиями Ньютона и Эйнштейна.

Проверка захвата

Почему LIGO использует двойные звездные системы для поиска гравитационных волн?

1. Бинарные звездные системы имеют высокую температуру.
2. Бинарные звездные системы имеют низкую плотность.
3. Двойные звездные системы содержат большое количество массы, но поскольку они вращаются по орбите друг друга, гравитационное поле между ними намного меньше.
4. Двойные звездные системы содержат большое количество массы. В результате гравитационное поле между ними велико.

Стандартная модель | ЦЕРН

Силы и частицы носителя

Во Вселенной действуют четыре фундаментальные силы: сильная, слабая, электромагнитная и гравитационная.Они работают в разных диапазонах и имеют разные сильные стороны. Гравитация самая слабая, но у нее бесконечный диапазон. Электромагнитная сила также имеет бесконечный диапазон, но она во много раз сильнее силы тяжести. Слабые и сильные взаимодействия эффективны только в очень коротком диапазоне и доминируют только на уровне субатомных частиц. Несмотря на свое название, слабая сила намного сильнее гравитации, но действительно самая слабая из трех других. Сильное взаимодействие, как следует из названия, является самым сильным из всех четырех фундаментальных взаимодействий.

Три фундаментальные силы возникают в результате обмена частицами-носителями силы, которые принадлежат к более широкой группе, называемой «бозонами». Частицы вещества передают дискретное количество энергии, обмениваясь бозонами друг с другом. Каждой фундаментальной силе соответствует свой собственный бозон: сильная сила переносится «глюоном», электромагнитная сила переносится «фотоном», а «W- и Z-бозоны» ответственны за слабую силу. Хотя это еще не найдено, «гравитон» должен быть соответствующей частицей гравитации, несущей силу.Стандартная модель включает электромагнитные, сильные и слабые взаимодействия и все их частицы-носители и хорошо объясняет, как эти силы действуют на все частицы материи. Однако самая известная сила в нашей повседневной жизни, гравитация, не является частью Стандартной модели, так как удобное включение гравитации в эту структуру оказалось сложной задачей. Квантовая теория, используемая для описания микромира, и общая теория относительности, используемая для описания макромира, трудно вписать в единую структуру.Никому не удалось сделать эти два математически совместимыми в контексте Стандартной модели. Но, к счастью для физики элементарных частиц, когда дело доходит до мельчайших масштабов частиц, эффект гравитации настолько слаб, что им можно пренебречь. Только когда материя находится в большом объеме, например, в масштабе человеческого тела или планет, преобладает влияние гравитации. Таким образом, Стандартная модель по-прежнему работает хорошо, несмотря на то, что она неохотно исключает одну из фундаментальных сил.

Нобелевской премии.org

Автор: Ларс Бринк *

Сил

Одна из основных особенностей физики — наличие сил, удерживающих материю вместе. Есть, например, силы, которые удерживают клетки вместе, чтобы строить человеческое тело, и есть сила гравитации, которая удерживает нас на земле, а Луну на орбите вокруг Земли. Мы сами можем прилагать усилия, когда что-то толкаем, и, с помощью инженерной мысли, получаем часть энергии, содержащуюся в масле, для создания силы на колесах автомобиля, чтобы двигать его.С макроскопической точки зрения мы можем представить себе множество различных видов сил, сил, действующих при ударе, а также сил, действующих на расстоянии, например, гравитационного. В физике же мы стараемся систематизировать и найти как можно больше общих понятий. Одна из таких систематизаций — выявление основных составляющих материи. Другой — выяснить силы, которые действуют между ними. В первом случае мы смогли разделить материю на атомы и атомы на ядра и электроны, а затем ядра на протоны и нейтроны.Столкнув протоны с протонами или протоны с электронами, физики-частицы обнаружили, что вся материя может быть построена из ряда кварков (концепция, введенная Мюрреем Гелл-Манном в 60-х годах) и лептонов (электроны, нейтрино и их более тяжелые собратья). В ходе того же процесса физики обнаружили четыре основные силы, которые действуют между этими частицами материи: гравитация, электромагнетизм, сильное и слабое ядерное взаимодействие. Только первые два можно непосредственно увидеть в макроскопическом мире, поэтому давайте сначала опишем их.

Гравитация

Первая количественная теория гравитации, основанная на наблюдениях, была сформулирована Исааком Ньютоном в 1687 году в его Началах. Он писал, что сила тяжести, действующая на Солнце и планеты, зависит от количества вещества, которое они содержат. Он распространяется на большие расстояния и всегда уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния. Формула для силы F между двумя объектами массой м ₁ и м ₂ расстояние r , таким образом, составляет

F = Gm ₁ м ₂ / r ² ,

, где G — постоянная пропорциональности, гравитационная постоянная.Ньютон не был полностью доволен своей теорией, поскольку она предполагала взаимодействие на расстоянии. Эта трудность была устранена, когда была введена концепция гравитационного поля, поля, пронизывающего пространство. Теория Ньютона была очень успешно применена к небесной механике в XVIII и начале XIX веков. Например, J.C. Adams и U.J.J. Леверье смог предположить наличие планеты за пределами Урана по отклонениям в ее орбите, и впоследствии был найден Нептун. Однако осталась одна проблема.В 1845 году Леверье рассчитал, что орбита Меркурия прецессирует на 35 дюймов за столетие, в отличие от ньютоновского значения, равного нулю. Более поздние измерения дали более точное значение 43 ”. (Наблюдаемая прецессия на самом деле составляет 5270 дюймов на столетие, но тщательный расчет для вычитания возмущений от всех других планет дает значение 43 ».) Только в 1915 году Альберт Эйнштейн смог объяснить это несоответствие.

Галилей был первым, кто заметил, что объекты падают с одинаковой скоростью независимо от их массы.В уравнениях Ньютона понятие массы встречается в двух разных уравнениях. Второй закон гласит, что сила F на теле массой m дает ускорение a согласно уравнению F = ma. Согласно закону всемирного тяготения сила тяжести F удовлетворяет условию F = mg, , где g зависит от других тел, действующих на тело (обычно это Земля, когда мы говорим о силе гравитации). В обоих уравнениях m — коэффициент пропорциональности (инертная масса и гравитационная масса), и нет очевидной причины, по которой они должны быть одинаковыми для двух разных объектов.Однако все эксперименты показывают, что это так. Эйнштейн взял этот факт за отправную точку своей теории гравитации. Если вы не можете отличить инертную массу от гравитационной, вы не можете отличить гравитацию от ускорения. Вместо этого эксперимент, проводимый в гравитационном поле, можно было бы провести в ускоряющем лифте без гравитационного поля. Когда космонавт на ракете ускоряется, чтобы улететь от Земли, он ощущает силу тяжести, которая в несколько раз превышает земную.В основном это связано с ускорением. Если нельзя отличить гравитацию от ускорения, всегда можно заменить силу тяжести на ускоряющуюся систему отсчета. Кадр, в котором ускорение нейтрализует силу тяжести, называется инерциальной системой отсчета. Следовательно, Луну, вращающуюся вокруг Земли, можно вместо этого рассматривать как ускоряющуюся. Однако этот кадр будет отличаться от точки к точке, так как гравитационное поле меняется. (В примере с Луной гравитационное поле меняет направление от одной точки к другой.) Принцип, согласно которому всегда можно найти инерциальную систему отсчета в каждой точке пространства и времени, в которой физика следует законам в отсутствие гравитации, называется принципом эквивалентности .

Тот факт, что гравитационная сила может рассматриваться как системы координат, которые различаются от точки к точке, означает, что гравитация — это геометрическая теория. Истинная система координат, охватывающая все пространство и время, поэтому более сложная, чем обычные плоские системы, к которым мы привыкли из обычной геометрии.Этот тип геометрии называется Неевклидовой геометрией. Сила, как мы видим, проистекает из свойств пространства и времени. Мы говорим, что пространство-время искривлено. Представьте шар, лежащий на плоской поверхности. Он не будет двигаться, или, если нет трения, он может двигаться равномерно, когда на него не действует никакая сила. Если поверхность изогнута, мяч будет ускоряться и опуститься в самую нижнюю точку, выбирая кратчайший путь. Точно так же Эйнштейн учил нас, что четырехмерное пространство и время искривлены, и тело, движущееся в этом искривленном пространстве, движется по геодезической , которая является кратчайшим путем.Эйнштейн показал, что гравитационное поле — это геометрическая величина, определяющая так называемое собственное время, понятие, которое принимает одно и то же значение во всех системах координат, подобно расстоянию в обычном пространстве. Ему также удалось построить уравнения для гравитационного поля, знаменитые уравнения Эйнштейна, , и с помощью этих уравнений он смог вычислить правильное значение прецессии для орбиты Меркурия. Уравнения также дают измеренное значение отклонения световых лучей, проходящих мимо Солнца, и нет никаких сомнений в том, что уравнения дают правильные результаты для макроскопической гравитации.Теория тяготения Эйнштейна, или общая теория относительности , , как он сам ее называл, является одним из величайших триумфов современной науки.

Электромагнетизм

Джеймс Кларк Максвелл в 1865 году окончательно объединил концепции электричества и магнетизма в одну теорию электромагнетизма. Сила опосредована электромагнитным полем. Различные производные этого поля приводят к электрическому и магнитному полям соответственно. Однако теория не является полностью симметричной в отношении электрического и магнитного полей, поскольку она вводит только прямые источники электрического поля, электрические заряды.Полностью симметричная теория также вводит магнитные заряды (которые, как предсказывает современная квантовая теория, существуют, но с такими огромными величинами, что свободные магнитные заряды должны быть чрезвычайно редкими в нашей Вселенной). Для двух статических тел с зарядами e ₁ и e ₂ теория приводит к закону Кулона , дающему силу

F = ke ₁ e ₂ / r ² ,

, где снова k — константа пропорциональности.Обратите внимание на сходство с законом Ньютона для гравитации. Но есть одно отличие. В то время как сила тяжести всегда притягивает, электромагнитная сила также может быть отталкивающей. Заряды могут иметь отрицательные знаки, например, для электрона, или положительные, как для протона. Это приводит к тому, что положительные и отрицательные заряды имеют тенденцию связываться вместе, например, в атомах, и, следовательно, экранировать друг друга и уменьшать электромагнитное поле. Таким образом, большинство частиц Земли экранируют друг друга, и общее электромагнитное поле очень сильно уменьшается.Даже в этом случае мы знаем о магнитном поле Земли. Кроме того, в наших телах большинство зарядов экранировано, поэтому между человеком и землей существует очень незначительная электромагнитная сила. Ситуация с гравитационным полем совсем иная. Поскольку он всегда притягателен, каждая частица Земли взаимодействует с каждой частицей человеческого тела, создавая силу с помощью всего нашего веса. Однако, если мы сравним электромагнитную и гравитационную силы между двумя электронами, мы обнаружим, что электромагнитная сила больше примерно в 10 ⁴⁰ раз.Это невероятно большое количество! Это показывает, что когда мы подходим к микромору и изучаем физику элементарных частиц, нам не нужно учитывать гравитацию, когда мы изучаем квантовую электродинамику, по крайней мере, не при обычных энергиях.

При изучении уравнений Максвелла обнаруживается, что электромагнитное поле распространяется с конечной скоростью. Это означает, что Закон Кулона верен только после того, как электромагнитное поле успеет пройти между двумя зарядами.Это статический закон. Также обнаруживается, что электромагнитное поле распространяется как волна точно так же, как и свет. Рёмер открыл, что скорость света конечна, а Ньютон и Гюйгенс открыли, что свет распространяется как волны в конце 17 века, а к концу 19 века скорость света была хорошо установлена ​​и согласована с скорость электромагнитного поля. Таким образом было установлено, что свет есть не что иное, как электромагнитное излучение. В 1900 году Макс Планк предложил квантовать свет, чтобы объяснить излучение черного тела.Однако именно Альберт Эйнштейн был первым, кто действительно осознал революционные последствия этой идеи, когда сформулировал фотоэлектрический эффект . Электромагнитное поле можно понимать как поток корпускулярных тел, которые можно назвать фотонами , которые составляют электромагнитное поле. Революционным аспектом этой идеи было то, что поток частиц также мог вести себя как волна, и многие авторитетные ученые того времени сопротивлялись этой идее.Лишь в 1923 году, когда Артур Комптон экспериментально показал, что кванты света могут отклонять электрон точно так же, как это сделало бы корпускулярное тело, этот спор был окончен.

Если мы подумаем об электрической силе между двумя зарядами как об электромагнитном поле, передающем их на расстоянии, то теперь мы можем получить более фундаментальную картину как поток фотонов, посылаемых одной частицей, чтобы поразить другую. Это более интуитивная картина, чем сила, действующая на расстоянии. Наша макроскопическая картина силы состоит в том, что что-то ударяет по телу, которое затем ощущает силу.В микроскопическом мире это снова способ понять силу. Однако все сложнее. Предположим, что взаимодействуют две заряженные частицы. Какая частица посылает фотон, а какая принимает фотон, если две частицы идентичны, как квантовая механика говорит нам о фундаментальных частицах? Ответ должен заключаться в том, что картина должна включать обе возможности. Открытие квантования электромагнитного поля положило начало развитию квантовой механики и привело нас к микрокосму, который просто создан точечными объектами и в котором силы возникают, когда две частицы сталкиваются друг с другом.

Квантовая механика как таковая привела ко многим новым революционным концепциям. Одним из наиболее важных является соотношение неопределенности Гейзенберга , сформулированное Вернером Гейзенбергом в 1927 году, в котором говорится, что нельзя точно измерить положение и импульс или энергию и время точно одновременно. Что касается ядра, можно либо определить положение электрона и ничего не знать о его импульсе, либо знать его импульс и ничего не знать о его положении. На картинке, показывающей силовое поле между двумя зарядами, мы должны думать о нем как о фотонах, перемещающихся от одного заряда к другому.Следовательно, энергия не может быть определена лучше, чем то, что говорит нам соотношение неопределенностей, из-за неопределенности в определении времени. Следовательно, специальное соотношение относительности для света, согласно которому фотон безмассовый, переводится в соотношение, что энергия ² = импульс ² c ² не обязательно. Если мы сложим энергию и трехмерный импульс вместе в четырехмерный импульс, мы увидим, что он не ограничен условием безмассовости, мы скажем, что фотон является виртуальным и, следовательно, имеет (виртуальную) массу.Таким образом, мы можем интерпретировать описанный выше процесс либо как определенный фотон, идущий от частицы 1 к частице 2 с определенным четырехимпульсом, либо как фотон от частицы 2 к частице 1 с противоположным четырехмерным импульсом. Когда два заряда находятся далеко, соотношение неопределенности дает мало свободы, и фотон ближе к безмассовому. Мы знаем, что Закон Кулона , кажется, справедлив на самых больших расстояниях, поэтому он должен быть установлен фотонами, близкими к безмассовому. Если два обвинения близки, должно быть больше членов силе.Между прочим, чтобы измерить скорость света, фотоны должны взаимодействовать. Следовательно, есть небольшая неопределенность в его массе и небольшая неопределенность в его скорости. Однако мы всегда измеряем одну и ту же скорость света, что означает, что на макроскопических расстояниях, которые мы измеряем, виртуальность и, следовательно, масса фотона по существу равны нулю с очень хорошей точностью. Тогда будет логичным сказать, что скорость света постоянна.

Полное описание электромагнитной силы между элементарными частицами было сформулировано Син-Итиро Томонага, Ричардом Фейнманом и Джулианом Швингером в независимых работах 1940-х годов.Они сформулировали квантовой электродинамики (КЭД). Эта теория полностью учитывает квантовую физику и специальную теорию относительности (которая лежит в основе симметрии уравнений Максвелла ). Он очень элегантно сформулирован так называемыми диаграммами Фейнмана , , где элементарные частицы обмениваются фотонами, как было описано выше, и где каждая диаграмма представляет собой определенное математическое выражение, которое может быть получено из некоторых основных правил распространения виртуальных частиц и из вершины взаимодействия.Самая простая диаграмма взаимодействия двух электронов —

Эта диаграмма фактически приводит к закону Кулона . Фейнман теперь инструктирует нас, что мы можем объединить любую линию для распространяющегося электрона (или, когда он движется назад, позитрона) и любую линию для распространяющегося фотона, связанную вместе с вершиной, где линия электрона излучает фотон, чтобы составить новые диаграммы. Любая другая диаграмма, отличная от приведенной выше, представляет собой квантовые поправки к основной силе.Благодаря работе трех ученых, указанных выше, было показано, что каждая такая диаграмма может иметь смысл и давать конечные ответы. Говорят, что QED является перенормируемым на . Сила силы, как в законе Кулона , определяется величиной вершины, которая представляет собой электрический заряд e в QED, а для диаграммы выше она пропорциональна квадрату e и является точной величиной Fine. Структурная константа = 1/137.Поскольку это небольшое число, имеет смысл записать амплитуду в виде ряда членов с все большей и большей степенями, поскольку этот коэффициент будет все меньше и меньше по мере увеличения сложности диаграммы. Члены более высокого порядка — это более высокие квантовые поправки, и определенное нами разложение возмущений будет иметь все меньшие и меньшие члены по мере того, как мы переходим к более высоким квантовым поправкам.

Ядерные силы

Поскольку в начале 20 века были известны только две основные силы, гравитация и электромагнетизм, и было замечено, что электромагнетизм ответственен за силы в атоме, было естественным полагать, что он также отвечает за силы, удерживающие ядро вместе.В 1920-х годах было известно, что ядра содержат протоны, на самом деле ядро ​​водорода — это просто протон, и почему-то считалось, что электроны могут участвовать в удержании протонов вместе. Однако у такой идеи есть непосредственные проблемы. В чем разница между электронами в ядре и электронами, вращающимися вокруг ядра? Каковы последствия соотношения неопределенностей Гейзенберга, если электроны втиснуты в маленькое ядро? Единственным подтверждением этой идеи, помимо отсутствия других известных элементарных частиц, было то, что в некоторых радиоактивных распадах электроны исходили из ядра.Однако в 1932 году Джеймс Чедвик открыл новый тип излучения, которое могло исходить от ядер, нейтральное, и его эксперимент показал, что внутри ядер действительно есть электрически нейтральные частицы, которые стали называть нейтронами. Вскоре после этого Юджин Вигнер объяснил, что ядра являются следствием двух разных ядерных сил. Strong Nuclear Force — это сила притяжения между протонами и нейтронами, которая удерживает ядра вместе, а Weak Nuclear Force отвечает за радиоактивный распад определенных ядер.Стало ясно, что сила двух сил сильно различается. Типичное отношение порядка 10 ¹⁴ при обычных энергиях.

Сильное взаимодействие

Теперь естественной идеей было поиск механизма, подобного тому, который используется в электромагнетизме, для передачи сильного взаимодействия. Уже в 1935 году Хидеки Юкава предложил теорию поля для сильного взаимодействия, в которой частица-посредник поля должна была быть названа мезоном.

Однако есть существенная разница между сильным взаимодействием и электромагнитным в том, что сильное взаимодействие имеет очень короткий диапазон (обычно ядерный радиус).По этой причине у него нет классического аналога и, следовательно, он не был открыт в классической физике. Юкава решил эту проблему, допустив, что мезон имеет массу. Впоследствии такая частица была обнаружена Карлом Андерсоном из космических лучей. Открытие ядерного деления в конце 1930-х годов привело к огромному интересу к ядерной физике, и в годы войны большинство физиков работали над проблемами деления ядер, так что идеи Юкавы были поддержаны только после войны.Затем стало ясно, что найденная Андерсоном частица не может быть мезоном сильных взаимодействий, поскольку она слишком мало взаимодействует с веществом, и затем было показано, что эта частица, теперь называемая мюоном, является тяжелым родственником электрона. Однако мезон, который теперь называют пионом, был наконец открыт в космических лучах Сесилом Пауэллом в 1947 году, и его свойства были измерены. Возникла новая дилемма. Когда в 1950-х годах начали работать большие ускорители, были произведены пионы, подтверждающие теорию Юкавы, но когда его теория поля была тщательно изучена в соответствии с правилами, установленными Фейнманом, было показано, что действительно теория перенормируема, но константа связи огромна. , больше единицы.Это означает, что диаграмма с несколькими взаимодействиями даст больший вклад, чем наивная диаграмма с обменом только одним пионом, который, хотя и дает приблизительную картину рассеяния двух протонов. Разложение по возмущениям не имеет смысла. Кроме того, рассеяние протонов породило новые сильно взаимодействующие частицы помимо пиона, которые были названы адронами. Действительно, был открыт огромный зверинец элементарных частиц, некоторые из которых имеют время жизни от 10 ^-8 до 10 ^-10 с, а некоторые со временем жизни 10 ^-23 с.Эту проблему решил Мюррей Гелл-Манн, когда он предположил, что все сильно взаимодействующие частицы действительно являются связанными состояниями еще более фундаментальных состояний, кварков. Эта идея была в конечном итоге экспериментально подтверждена в Стэнфордских экспериментах примерно в 1970 году, проведенных Джеромом Фридманом, Генри Кендаллом и Ричардом Тейлором. Чтобы понять силы внутри ядра, действительно нужно было понять теорию поля кварков. Прежде чем описывать взаимодействия между кварками, мы должны обсудить другое ядерное взаимодействие, слабое.

Слабые взаимодействия

В 1896 году Анри Беккерель обнаружил, что соли урана излучают радиацию; они радиоактивны. Его работу продолжили Мари и Пьер Кюри, которые обнаружили, что несколько атомов распадаются, излучая радиоактивность. С открытием нейтрона стало понятно, что это явление — еще один аспект действующей силы. Было обнаружено, что нейтрон распадается на протон и электрон, а также на гипотетическую частицу, предложенную Вольфгангом Паули, которую стали называть нейтрино (на самом деле антинейтрино).Поскольку в ядре массы нуклонов виртуальны, процесс может идти и другим путем, когда протон распадается на нейтрон, позитрон и нейтрино. Первым, кто создал модель этого взаимодействия, был Энрико Ферми, в котором предполагалось, что взаимодействие между частицами материи происходит мгновенно. В конце 1950-х годов теория Ферми была модифицирована для объяснения нарушения четности Маршаком и Сударшаном, а также Фейнманом и Гелл-Манном. Нарушение четности слабых взаимодействий было постулировано Цунг-Дао Ли и Чен Нин Янгом в 1956 году и экспериментально подтверждено Ву и его сотрудниками через год.(Слабые взаимодействия позволяют различать левое и правое.)

Однако представленная модель имела серьезные проблемы. Ее нельзя перенормировать, поэтому она не может иметь смысла в качестве общей теории. С другой стороны, модель очень хорошо работала для многих процессов. Как можно примирить эти два факта? В 1960-х годах были предложены новые теоретико-полевые описания, и для согласования вышеизложенных фактов были введены чрезвычайно тяжелые частицы-посредники. Для процессов с низкой энергией такая частица может распространяться только на очень короткое расстояние, и на практике это будет выглядеть так, как если бы взаимодействие происходит в одной точке, что дает указанную выше модель для энергий, которые в то время могли быть исследованы.Используемая схема, так называемые «неабелевы калибровочные теории», использовались Шелдоном Глэшоу, Стивеном Вайнбергом и Абдусом Саламом в независимых работах, чтобы предложить модель, которая обобщила бы описанную выше модель. Такая теория поля является обобщением КЭД, в которой есть несколько частиц-посредников, которые также могут иметь самовзаимодействие. В начале 1970-х годов Герхард Тхофт и Тини Велтман доказали, что перенормируемость этой схемы моделей и, следовательно, являются хорошими квантовыми теориями. Неопровержимые экспериментальные доказательства этой модели были собраны в 1970-х годах, и, наконец, в 1983 году посреднические частицы были обнаружены в ЦЕРНе в ходе эксперимента, проведенного Карло Руббиа и Саймоном ван дер Меером.Действительно, частицы-посредники очень тяжелые, почти в 100 раз больше массы протона.

Теория сильных взаимодействий

Замечательной особенностью экспериментов SLAC, подтвердивших существование кварков, было «масштабирование». Сечения глубоконеупругого рассеяния электронов на протонах зависели от меньшего количества кинематических переменных для более высоких энергий. Сечения масштабированы. Это явление было теоретически предположено Джеймсом Бьоркеном, и данные ясно это показали.Ричард Фейнман объяснил это, предположив, что протоны состоят из точечных компонентов. Чтобы объяснить масштабирование, эти составляющие должны иметь силу связи, которая убывает с энергией, в отличие от случая QED. Это было названо «асимптотической свободой». Было довольно трудно поверить, что квантовая теория поля может быть асимптотически свободной, поскольку зависимость константы связи от энергии обусловлена ​​экранированием пар виртуальных частиц. Релятивистская квантовая механика допускает такие пары, если они не живут слишком долго.Это связано с принципом неопределенности Гейзенберга и тем фактом, что согласно известной формуле Эйнштейна энергия равна массе.

Асимптотическая свобода должна означать, что заряды кварков антиэкранированы, что, как было сказано, было трудно поверить в существование в квантовой теории поля. Однако в 1973 году Дэвид Гросс, Дэвид Политцер и Франк Вильчек одновременно обнаружили, что для неабелевой калибровочной теории поля требование асимптотической свободы выполняется, если кварков не слишком много.Ключом к решению было то, что векторные частицы, опосредующие силу, глюоны, действительно обладают антиэкранированием. Это можно понять, поскольку заряды кварков и глюонов, «цветные заряды» удовлетворяют более сложным соотношениям, чем более простые электрические заряды. Есть три разных цвета и их антицветы. В то время как кварки имеют цветной заряд, глюоны имеют цвет и антицветный заряд. Следовательно, виртуальные глюоны могут выстраиваться в линию с зарядами, экранируя друг друга, в то время как напряженность поля увеличивается.

Открытие асимптотической свободы открыло неабелеву калибровочную теорию поля для взаимодействий между кварками и получило название квантовой хромодинамики, КХД. На протяжении многих лет эта теория была очень успешно проверена на больших ускорителях, и теперь она прочно утвердилась как теория сильных взаимодействий.

Стандартная модель

Успех неабелевых калибровочных теорий показал, что все взаимодействия могут быть объединены в общую структуру.Это привело к так называемой Стандартной модели, в которой все частицы материи рассматриваются вместе, то есть электрон и его более тяжелые партнеры, мюон, тау-частица и соответствующие нейтрино, которые все имеют только слабые взаимодействия, вместе с кварками, которые могут иметь как сильные, так и слабые взаимодействия. Частицы силы, то есть посредники, тогда являются фотоном для электромагнетизма, частицами W и Z для слабого взаимодействия и глюонами для сильного взаимодействия.Несмотря на то, что Стандартная модель унифицирует взаимодействия, есть различия в деталях. Фотон и глюоны являются безмассовыми частицами, в то время как частицы W и Z имеют массу. Фотон приводит к закону Кулона для больших расстояний, а глюоны приводят к удерживающей силе между кварками. Фактически это связано с асимптотической свободой, которую также можно интерпретировать как утверждение, что сила связи увеличивается с меньшей энергией, что квантово-механически также означает, что она увеличивается с расстоянием.Фактически, это увеличение похоже на увеличение пружины, так что кварки постоянно связаны в адронах. Тем не менее, свойства глюонов были твердо установлены экспериментаторами.

Унификация всех взаимодействий

В стандартной модели выше нет упоминания о силе тяготения. Было сказано, что он настолько слаб, что нам не нужно принимать его во внимание при экспериментах с частицами.Однако по общим соображениям должна существовать квантовая версия силы тяжести, действующая на достаточно малых расстояниях. Если мы попытаемся просто скопировать квантование электромагнитного поля в терминах фотонов, мы должны квантовать гравитационное поле в так называемые гравитонов. Однако процедура Фейнмана, Томонаги и Швингера здесь не работает. Гравитация Эйнштейна неперенормируема. В чем проблема? Не завершена ли теория Эйнштейна или квантовая механика? Две великие концептуальные вехи 20-го века, квантовая механика и общая теория относительности Эйнштейна, просто не согласуются друг с другом.Эйнштейн всю свою жизнь думал, что квантовая механика действительно неполна, но к настоящему времени проведено так много ее проверок, что физики вместо этого пытаются обобщить теорию Эйнштейна. Замечательный успех Стандартной модели также показал, что идея объединения сил верна. Почему существуют четыре разные силы или они действительно разные? Они действительно проявляются как разные силы в экспериментах, которые мы проводим, но Стандартная модель показывает, что электромагнитные и слабые силы объединены для энергий выше 100 ГэВ.Точно так же модель показывает, что сильное взаимодействие, кажущееся таким разным, объединяется с другим при энергиях выше 10 ¹⁵ ГэВ. Можно ли вписать в эту схему гравитационную?

Можно показать, что при энергиях порядка 10 ¹⁹ ГэВ сила тяжести будет такой же сильной, как и другие силы, поэтому должно происходить объединение всех сил, по крайней мере, при этой энергии, которая является такой энергией. невероятно высока, что это произошло в нашей Вселенной только в период 10 ^-42 секунд после Большого взрыва.Однако физика также должна уметь описывать явления, которые произошли тогда, поэтому должна быть единая картина, которая также включает гравитацию. Такая схема теперь предложена Модель суперструн , в которой частицы описываются одномерными объектами, струнами. Эта модель действительно дает теорию Эйнштейна для низких энергий и может быть сделана совместимой со Стандартной моделью при энергиях, в которых она была исследована. Это также конечная квантовая теория, поэтому теория возмущений для гравитации, основанная на модели суперструны, действительно последовательна.Еще слишком рано говорить, является ли это окончательной «теорией всего», но, насколько она понята, в модели нет парадокса или противоречия. Наконец, модель делает еще одно объединение, а именно частиц материи и частиц силы, имеющих только один вид частиц. Это также конечная цель физиков — иметь одну объединенную силу и один объединенный вид частиц.

---

* Ларс Бринк родился в 1943 году. С 1986 года он был профессором теоретической физики элементарных частиц в Технологическом университете Чалмерса в Гетеборге, Швеция.Он был научным сотрудником теоретической группы ЦЕРНа в 1971-73 гг. И научным сотрудником Калифорнийского технологического института в 1976-77 гг. Он много раз был приглашенным ученым в CERN, Caltech, ITP в Санта-Барбаре, а также во многих других учреждениях по всему миру. Он был заместителем декана по физике в Чалмерсе в 1987-93 годах, был председателем правления Nordita в Копенгагене в 1990-93 годах и членом правления в 1993-97 годах. С 1993 года он является председателем правления Международного центра фундаментальной физики в Москве.Он был избран членом Шведской королевской академии наук в 1997 году и членом Нобелевского комитета по физике в 2001 году. С 2000 года он также является координатором сети ЕС «Теория суперструн». в теории элементарных частиц, особенно в попытках объединить все фундаментальные взаимодействия. Он является одним из пионеров теории суперструн, а также активно участвовал в суперсимметричных квантовых теориях поля. Одним из основных моментов здесь является построение и доказательство первой конечной квантовой теории поля в четырех измерениях пространства-времени.

Впервые опубликовано 9 августа 2001 г.

Основные силы

Свободный нейтрон распадется с испусканием W —, который производит электрон и антинейтрино. Когда нейтрино взаимодействует с нейтроном, W — может быть заменен, превращая нейтрон в протон и производя электрон. Это взаимодействие такое же, как и слева, поскольку W + , идущее справа налево, эквивалентно W — , идущему слева направо. Нейтрон или протон могут взаимодействовать с нейтрино или антинейтрино путем обмена Z 0 . Одна из четырех фундаментальных сил, слабое взаимодействие включает обмен промежуточными векторными бозонами, W и Z. Поскольку масса этих частиц равна порядка 80 ГэВ, принцип неопределенности определяет диапазон примерно 10 –18 метров, что составляет около 0,1% диаметра протона. Слабое взаимодействие меняет один аромат кварка на другой.Например, при распаде нейтрона, изображенном диаграммой Фейнмана слева вверху, один нижний кварк заменяется верхним кварком, превращая нейтрон в протон. Примитивные вершины диаграмм Фейнмана для слабого взаимодействия бывают двух типов: заряженные и нейтральные. Для лептонов они имеют вид Электрон используется в качестве примера на этих диаграммах, но любой лептон может быть заменен на входящей стороне. Сторона выхода (вверху) будет такой же для нейтральной вершины, но определяется зарядом W в заряженной вершине.Помимо сохранения заряда, вершина должна сохранять лептонное число, поэтому процесс с электроном может производить электронное нейтрино, но не мюонное нейтрино. Нейтральное взаимодействие проще представить, но оно редко наблюдается, поскольку оно конкурирует с гораздо более сильным электромагнитным взаимодействием и маскируется им. С заряженными вершинами можно постулировать взаимодействие типа μ, υ e -> e, υ μ и нарисовать для него диаграмму Фейнмана.Это взаимодействие вряд ли будет наблюдаться из-за невероятной сложности наблюдения за рассеянием нейтрино, но оно предполагает другие взаимодействия, которые могут быть получены путем вращения или скручивания диаграммы. Изменив приведенную выше диаграмму Фейнмана, можно прийти к взаимодействию, ответственному за распад мюона, поэтому структуры, полученные из примитивных вершин, можно использовать для построения семейства взаимодействий.Преобразование между двумя диаграммами Фейнмана также можно рассматривать как пример перекрестной симметрии. Заряженные вершины в слабом взаимодействии с кварками принимают вид Итак, видно, что кварк меняет свой аромат при взаимодействии через W — или W + . Как показано на рисунке, это взаимодействие невозможно наблюдать, поскольку оно подразумевает изоляцию ап-кварка. Из-за удержания кварков изолированные кварки не наблюдаются.Но вращение диаграммы Фейнмана дает альтернативное взаимодействие, показанное ниже как для электронных, так и для мюонных продуктов. Это указывает на механизм слабого взаимодействия для распада пиона, который наблюдается по мюонному пути. Слабое взаимодействие в электронной форме слева вверху отвечает за распад нейтрона и за бета-распад в целом.

Указатель Концепции основных сил Справочный номер Kaufmann Ch.29 Griffiths Ch 2

Лондонские силы рассеивания

Лондонские силы рассеивания Лондонские силы рассеяния

Лондонская дисперсионная сила — самая слабая межмолекулярная сила. Лондонская дисперсионная сила — это временная сила притяжения, которая приводит к когда электроны в двух соседних атомах занимают позиции, которые делают атомы образуют временные диполи. Эту силу иногда называют индуцированной диполь-индуцированное дипольное притяжение.Лондонские силы — привлекательные силы, которые заставляют неполярные вещества конденсироваться в жидкости и замерзать в твердые частицы при значительном понижении температуры.

Из-за постоянного движения электронов, атома или молекулы может развить временный (мгновенный) диполь, когда его электроны распределены несимметрично относительно ядра.

Второй атом или молекула, в свою очередь, могут быть искажены внешним видом диполя в первом атоме или молекуле (потому что электроны отталкивают один другой), что приводит к электростатическому притяжению между двумя атомами или молекулы.

Силы дисперсии присутствуют между любыми двумя молекулами (даже полярными молекулами). когда они почти соприкасаются.

Размер молекулы

Силы дисперсии присутствуют между всеми молекулами , независимо от того, являются ли они полярны или неполярны.

• Более крупные и тяжелые атомы и молекулы обладают более сильными дисперсионными силами. чем меньшие и более легкие.
• В более крупном атоме или молекуле валентные электроны в среднем находятся дальше из ядер, чем в меньшем атоме или молекуле.Они менее тугие удерживаются и могут легче образовывать временные диполи.
• Легкость, с которой электронное распределение вокруг атома или молекулы может быть искажен называется поляризуемостью .

Лондонские дисперсионные силы имеют тенденцию быть:

• сильнее между молекулами, которые легко поляризуются.
• слабее между молекулами, которые нелегко поляризуются.

Молекулярная форма

Форма молекул также влияет на величину дисперсионных сил. между ними.

• При комнатной температуре неопентан (C ₅ H ₁₂ ) представляет собой газ тогда как n -пентан (C ₅ H ₁₂ ) является жидкостью.
• Лондонские дисперсионные силы между n молекулами -пентана сильнее чем между молекулами неопентана, хотя обе молекулы неполярные и имеют одинаковую молекулярную массу.
• Несколько цилиндрическая форма молекул n -пентана позволяет им контактировать друг с другом более эффективно, чем несколько сферических молекулы неопентана.

		= С = H
n -пентан n -Пентан представляет собой жидкость при температуре 25 o C.	неопентан Неопентан представляет собой газ при температуре 25 o C.

Физические последствия лондонских сил рассеяния

Cl ₂ и Br ₂ примерно одинаковы форма, и ни то, ни другое не полярно.

1. При охлаждении как Cl ₂ , так и Br ₂ образуют твердые вещества. Почему?
2. При 25 ^o C хлор (Cl ₂ ) представляет собой газ, тогда как бром (Br ₂ ) — жидкость. Почему?

Нажмите здесь, чтобы проверить Ваш ответ.

Движение частиц

Эта идея фокусировки исследуется через:

Противопоставление взглядов студентов и ученых

Ежедневный опыт студентов

На этом уровне студенты должны «объяснять поведение и свойства материалов с точки зрения составляющих их частиц и сил, удерживающих их вместе» (стандарты VELS, уровень 6).Однако тот факт, что учащиеся могут рисовать обычное статическое расположение частиц в твердых телах, жидкостях и газах, не означает, что они придерживаются полного представления о материи. Данные исследований показывают, что многие студенты в этом возрасте и старше по-прежнему придерживаются ряда альтернативных представлений о частицах, которые трудно погасить. Они часто не осознают очень маленький размер частиц, приписывают микроскопическим частицам макроскопические свойства, испытывают трудности с пониманием движения частиц во всех состояниях материи и имеют проблемы с пониманием сил между частицами.

Research: Driver (1987)

Многие студенты, которые понимают, что материя представляет собой твердые частицы, все еще сохраняют некоторые прежние взгляды и считают, что частицы могут изменять свою форму (от твердого до жидкого), взрываться, гореть, расширяться, изменять форму и цвет или сжиматься. Учащиеся визуализируют атомы, молекулы и ионы как маленькие шарообразные объекты (возможно, из-за способа представления информации), и это способствует тому, что они путают свойства частиц с макроскопической природой материалов, из которых они состоят.

Research: Happs (1980)

Эти идеи также рассматриваются в идее фокуса. Макроскопические и микроскопические свойства.

Студенты часто не понимают динамическую природу частиц; они склонны думать о них как о статичных. Студенты могут верить, что частицы газа движутся медленно, подобно тому, как они наблюдают, когда видят взвешенные частицы пыли в луче света. Случайное движение частиц в жидкостях и газах — трудная для понимания концепция.На вопрос: «Почему частицы газа не падают на дно сосуда?» только около 50% студентов думали, что частицы находятся в постоянном движении. Студенты заявили, что частицы раздвигались (под действием тепла как вещества) при нагревании газов. Когда газы конденсировались в жидкость, многие студенты объясняли это увеличением сил притяжения между частицами.

Исследования: Новик и Нуссбаум (1981)

Студентам часто бывает трудно оценить движение частиц в твердых телах, и это приводит к различным представлениям о замораживании и плавлении.Вот несколько примеров того, как студенты думают о поведении частиц в тающей ледяной глыбе:

Студент 1: «Частицы начинают отламываться друг от друга из-за повышения температуры. Когда они отделяются друг от друга, они превращаются из кристаллической формы в форму раствора ».

Студент 2:« Когда кусок льда вынимается из морозильника, резкое изменение температуры реагирует на частицы, заставляющие их уменьшение в размерах ».

Scientific view

Атомы невероятно малы, и их невозможно увидеть даже с помощью самого мощного светового микроскопа.Мы используем несколько моделей атомов, чтобы помочь объяснить химические процессы и описать их поведение.

В газах частицы быстро движутся во всех направлениях, часто сталкиваясь друг с другом и стенками контейнера. С повышением температуры частицы приобретают кинетическую энергию и движутся быстрее. Фактическая средняя скорость частиц зависит от их массы, а также от температуры — более тяжелые частицы движутся медленнее, чем более легкие, при той же температуре. Молекулы кислорода и азота в воздухе при нормальной комнатной температуре быстро перемещаются со скоростью от 300 до 400 метров в секунду.В отличие от столкновений между макроскопическими объектами, столкновения между частицами являются совершенно упругими без потери кинетической энергии. Это сильно отличается от большинства других столкновений, когда некоторая кинетическая энергия преобразуется в другие формы, такие как тепло и звук. Совершенно эластичный характер столкновений позволяет частицам газа продолжать отскакивать после каждого столкновения без потери скорости. Частицы по-прежнему подвержены силе тяжести и ударяются о дно контейнера с большей силой, чем о его верх, что придает газу вес.Если бы вертикальное движение молекул газа не замедлялось под действием силы тяжести, атмосфера давно бы покинула Землю.

В жидкостях частицы расположены довольно близко друг к другу и беспорядочно перемещаются по емкости. Частицы быстро движутся во всех направлениях, но сталкиваются друг с другом чаще, чем в газах, из-за более коротких расстояний между частицами. С повышением температуры частицы движутся быстрее, поскольку они набирают кинетическую энергию, что приводит к увеличению частоты столкновений и увеличению скорости диффузии.

В твердом теле частицы упаковываются вместе как можно плотнее в аккуратном и упорядоченном виде. Частицы удерживаются вместе слишком сильно, чтобы их можно было перемещать с места на место, но частицы действительно колеблются относительно своего положения в структуре. С повышением температуры частицы приобретают кинетическую энергию и вибрируют быстрее и сильнее.

Сила притяжения в твердых телах не обязательно должна быть сильнее, чем в жидкостях или газах. Например, силы между твердыми частицами гелия (при -270 ° C) все еще очень слабы.Для сравнения, силы между частицами паров железа (требующие очень высоких температур) очень велики. Если вы сравните разные вещества, имеющие одинаковую температуру, то средняя кинетическая энергия частиц будет одинаковой (т. Е. Если частицы имеют одинаковую массу, они будут двигаться с одинаковой скоростью), но силы притяжения в твердых телах будут быть больше, чем в жидкостях, которые будут больше, чем в газах. Силы притяжения не ослабевают, когда вещество переходит из твердого состояния в жидкое, а затем в газообразное, скорее, кинетическая энергия частиц увеличивается (что подразумевает более быстрое движение), позволяя им преодолевать силы притяжения.

Критические идеи обучения

• Вся материя состоит из атомов, которые слишком малы, чтобы их можно было увидеть даже в самые мощные световые микроскопы.
• Частицы во всех состояниях материи находятся в постоянном движении, и это очень быстро при комнатной температуре. Повышение температуры увеличивает кинетическую энергию и скорость частиц; это не ослабляет силы между ними.
• Частицы в твердых телах колеблются в фиксированных положениях; даже при очень низких температурах.
• Отдельные частицы в жидкостях и газах не имеют фиксированного положения и движутся хаотично.
• Столкновения между частицами отличаются от столкновений между макроскопическими объектами тем, что они совершенно упругие: то есть кинетическая энергия частиц остается постоянной, и во время столкновений энергия не преобразуется в другие формы.

Изучите взаимосвязь между идеями о движении частиц в Карты развития концепций — (химические реакции, состояния вещества)

Студенты этого уровня неоднократно сталкивались с идеями о частицах (включая атомы, ионы и молекулы), однако многие из них сохраняют альтернативные или наивные взгляды на природа частиц, и они могут препятствовать их пониманию.Стремитесь принять стратегии обучения, которые вызывают у учащихся неудовлетворенность их существующими идеями, и продвигать научную концепцию, которая будет правдоподобной, последовательной и полезной в различных ситуациях.

Преподавательская деятельность

Выявите существующие идеи студентов

Важно выяснить предыдущие взгляды большинства студентов в начале обучения, чтобы установить их существующее понимание модели частиц материи.

Спросите студентов, что они думают о размере атомов по сравнению с другими мелкими объектами, такими как клетки, бактерии и вирусы.Это можно сделать, попросив их нарисовать их относительный размер в одном масштабе (шкале, где человеческая клетка равна размеру страницы или плаката). Выразите идею о том, что атомы снова стали намного меньше. Поищите другие действия, которые помогут укрепить идею о том, что частицы очень и очень маленькие.

Покажите студентам обычные рисунки частиц в твердых телах, жидкостях и газах и спросите их, движутся ли они и с какой скоростью.

Бросить вызов некоторым существующим идеям

Здесь актуален ряд вопросов, поднятых в основной идее «Сохранение массы», и взвешивание колбы, содержащей небольшое количество ацетона до и после испарения, может быть использовано для проверки идей студентов. о том, что вещество легче в газовом состоянии, и о проблемах со статическими изображениями частиц газа в текстах.Для получения дополнительной информации см .: Сохранение массы.

Помогите учащимся выработать для себя некоторые «научные» объяснения

При небольшом поощрении класс обычно может решить путем обсуждения, что частицы в газах должны падать на дно колбы сильнее, чем на верх, и, следовательно, на них действует сила тяжести. Это может быть расширено до объяснения того, почему атмосфера Земли истончается и в конечном итоге прекращается — вертикальное движение частиц вверх прекращается.

Содействовать осмыслению и прояснению существующих идей и побуждать студентов выявлять явления, не объясняемые (в настоящее время представленной) научной моделью или идеей

Поскольку частицы нельзя наблюдать напрямую, большая часть обучения включает поиск очевидных проблем или несоответствий с своего рода статические изображения частиц, данные в предыдущие годы.Предложите студентам определить их и обсудить возможные объяснения. Некоторые подсказки:

• Что задерживает частицы воздуха?
• Частицы воздуха движутся быстрее в ветреный день?
• Откуда у газов может быть вес?
• Почему молекулы воздуха не улетают в космос?

Если необходимо, поднимите подобные вопросы, которые откроют дискуссию, но лучше, если учащиеся предложат некоторые из них сами. Обратите внимание, что многие проблемы связаны с газами — для объяснения именно их свойств нам больше всего нужна модель твердых частиц.

Чтобы усилить понятие упругих столкновений, спросите, что произошло бы, если бы столкновения между частицами газа не были упругими. Какие практические последствия были бы для людей? Это можно представить, бросая различные типы мячей (например, футбольный мяч, мяч для настольного тенниса и надувной мяч (из магазинов игрушек)) и объясняя, что надувной мяч ведет себя больше как частицы газа.

Начать обсуждение через общий опыт

Использование таких упражнений, как POE (Predict-Observe-Explain), может помочь учащимся задуматься, а затем подвергнуть сомнению свои существующие идеи.Следующее задание поможет учащимся обдумать свои представления о движении частиц.

Установите две пары колб, каждая из которых соединена клапаном (см. Схемы ниже). Обе пары содержат коричневый диоксид азота в левой колбе.

Эксперименты POE (Прогноз-Наблюдение-Объяснение)
	У первой пары также есть воздух в правой колбе. Студентов просят предсказать, что произойдет, когда клапан между двумя колбами откроется.Коричневый цвет будет очень медленно распространяться от одной колбы к другой, потому что частицы часто сталкиваются с частицами воздуха.
	Вторая пара колб имеет коричневый газ в левой колбе, но правая колба полностью откачана. Студентов снова просят предсказать, что произойдет, когда клапан откроется. Очень высокая скорость молекул означает, что они очень быстро наполняют откачанную колбу.

Эксперименты по диффузии могут укрепить идею движения частиц.Их также можно использовать как POE.

Например:

• кристалл сульфата меди помещают в агаровый гель; синий цвет медленно распространяется через гель.
• кристалл перманганата калия помещается в стакан и медленно добавляется вода. Смотрите изображение. В качестве альтернативы к раствору перманганата калия в бюретке очень медленно добавляют воду.

Броуновское движение также можно наблюдать с помощью стереомикроскопов, когда порошок серы или камфора разбрызгивается на поверхность воды или этанола.

Практика использования и создания воспринимаемой полезности научной модели или идеи

Кусок ваты, пропитанный аммиаком, помещается на один конец длинной стеклянной трубки, а другой, пропитанный соляной кислотой (HCl), помещается на другой конец . В конце концов, на стыке двух газов образуется белое кольцо. Два газа имеют одинаковую температуру и, следовательно, частицы имеют одинаковую кинетическую энергию; кольцо образуется ближе к источнику более тяжелой и, следовательно, более медленно движущейся HCl.Это предсказывается сравнением относительных молекулярных масс. Наличие в трубке полоски универсальной индикаторной бумаги позволяет отслеживать диффузию газа. Это пример POE, где полезно привлечь внимание студентов к соответствующему разделу науки, прежде чем они сделают свой прогноз, поскольку он создает полезность для концепции относительной молекулярной массы (значений Mr).

Студентам должна быть предоставлена ​​возможность использовать научные концепции теории частиц в других условиях.Попросите учащихся понаблюдать, а затем объяснить изменения с точки зрения движения частиц в таких сценариях, как плавление воска или пластика, исчезновение нафталина (нафталина) в шкафу и запах духов, распространяющийся по комнате.

Физика элементарных частиц (теория)

Particle.htm (Ó Р. Эгертон)

В результате экспериментов по измерению результатов столкновения космических лучей или ускоренных стабильных частиц. (например, электрон и протон) с веществом было обнаружено более 400 «элементарных» частиц.-23 секунды. Задача физиков элементарных частиц состояла в том, чтобы разобраться в этой, казалось бы, сложной структуре субъядерного мира. Примерно в 1970 году этот вопрос был упрощен с открытием, что многие частицы (, а не , включая электроны или фотоны) можно рассматривать как состоящие из субъединиц, названных кварками . Чтобы понять свойства элементарных частиц (по сути, основы всего природного мира), нам нужно описать силы (или взаимодействий, ) между ними.-15 м. Ядерная сила между нуклонами считается остаточным эффектом гораздо более сильной силы, удерживающей кварки вместе в каждом нуклоне.

Электромагнитная сила связывает электроны и протоны внутри атома, а ее остаточный эффект удерживает вместе атомы в молекуле или твердом теле. Это сравнительно дальнодействующая сила, убывающая пропорционально квадрату расстояния между заряженными частицами.

Слабая сила — это сила очень короткого действия (действующая на расстояниях <10 ^ -18 м), которая участвует в бета-распаде и распаде некоторых элементарных частиц, таких как нейтрон (период полураспада 920с).Сейчас считается, что слабые и электромагнитные силы являются проявлением единой электрослабой силы .

Гравитационная сила — это дальнодействующая сила обратного квадрата, которой можно пренебречь в области атомной, ядерной физики и физики элементарных частиц, но которая становится доминирующей силой притяжения между большими электрически нейтральными объектами, разделенными на большие расстояния, такими как планеты , звезды и галактики.

Согласно классической физике , гравитационные или электромагнитные силы передаются наличием поля , создаваемого одним объектом, на которое реагирует второй объект.Это поле может передавать энергию и импульс между двумя объектами. В квантовой теории поля поле рассматривается как квантованное, и обмен энергией или импульсом осуществляется (или опосредовано ) частицами поля (в отличие от частиц материи , которые они связывают). В случае электромагнитного поля частица поля представляет собой фотон, обычно называемый виртуальным фотоном , поскольку он обычно не наблюдается напрямую. -20 секунд.

Классификация частиц

Частицы материи могут быть сгруппированы в соответствии с силами между ними (, то есть — вид полевой частицы, которая может связывать их). Все частицы подвергаются гравитационному взаимодействию (хотя им можно пренебречь), а те, которые электрически заряжены, могут подвергаться электромагнитному взаимодействию. Частицы, которые также могут взаимодействовать посредством сильного взаимодействия, называются адронами и делятся на барионов и мезонов .Барионы — это относительно тяжелых частиц, таких как протон и нейтрон, и считается, что они состоят из кварков, удерживаемых вместе глюонами. Мезоны имеют средние значения массы покоя и включают пион , который когда-то считался полевой частицей, передающей ядерную силу между частицами в атомном ядре.

Лептоны — это частицы, которые могут испытывать слабые взаимодействия. Они являются самыми маленькими из известных частиц и включают электрон, мюон, тау-частицу и три вида нейтрино вместе с античастицами каждого из вышеперечисленных.-10 с) через слабые взаимодействия. Для объяснения их свойств было введено новое квантовое число S (странность , ). S сохраняется в распадах частиц, в которых участвуют сильные и электромагнитные взаимодействия, но не в тех, которые связаны со слабым взаимодействием.

Кварки

Хотя лептоны кажутся настоящими элементарными частицами, не имеющими размера или внутренней структуры, адроны имеют и размер, и структуру, как показали результаты экспериментов со столкновениями.Можно сгруппировать барионы или лептоны в соответствии с их зарядом и необычностью, чтобы получить узнаваемые паттерны симметрии , такие как гексагональная группировка восьми барионов, показанная на рис. 15.9a. Эта группа, названная ее создателем (Мюррей Гелл-Манн) восьмеричным путем , также предполагает наличие лежащей в основе субструктуры. В 1963 году Гелл-Манн предположил, что каждый адрон состоит из двух или трех точечных частиц (кварков), индивидуальный электрический заряд которых равен — (1/3) e или + (2/3) e.Таким образом, протон состоит из двух положительно заряженных ап-кварков и одного отрицательно заряженного нижнего кварка, что дает суммарный заряд + e, тогда как нейтрон состоит из двух нижних кварков и одного верхнего кварка, что дает нулевой суммарный заряд. ; см. рис. 15.11.

В дополнение к своим верхним, нижним или странным свойствам кварки можно отличить по цветному заряду , который аналогичен электрическому заряду, но связан с сильной (а не электромагнитной) силой. Поэтому кварки помечены как красный, синий и зеленый; цвета должны быть разными для каждого кварка в адроне, что делает саму частицу белой или «бесцветной».Основная теория называется квантовой хромодинамикой (КХД), и согласно этой теории сильное взаимодействие между кварками обеспечивается безмассовыми частицами, называемыми глюонами , которые также несут цветной заряд. Кварки (и глюоны) никогда не обнаруживались напрямую, например, как треки частиц в фотоэмульсии. Однако их образование сопровождается направленными струями адронных частиц, которые обнаруживаются и действуют как своего рода сигнатура; см. рис.15.12. Это свойство ненаблюдаемости известно как ограничение и, как полагают, возникает из-за того факта, что сильное взаимодействие между кварками увеличивается на 90–160 по мере разделения частиц.

Согласно КХД, кварки в нуклоне (протоне или нейтроне) постоянно излучают и поглощают виртуальные глюоны. Если два нуклона сближаются в пределах 1 фм друг от друга, глюоны или кварки можно обменять на , что является истинным источником ядерной силы.

В 1979 году ученые Глэшоу Салам и Вайнберг получили Нобелевскую премию за введение теории электрослабого взаимодействия , согласно которой слабое и электромагнитное взаимодействия становятся эквивалентными при очень высоких энергиях частиц. Комбинация электрослабой теории и КХД (которая описывает сильное взаимодействие ) известна как Стандартная модель и представляет собой общепринятое описание поведения частиц, которое (пока) согласуется со всеми экспериментальными результатами; см. рис.15.14.

Один вопрос, на который стандартная модель не дает ответа, — это , почему фотон имеет нулевую массу покоя, в то время как частицы поля, которые опосредуют слабое взаимодействие, имеют большую массу (в 85 и 97 раз больше, чем у протона). Из-за этой разницы масс слабое и электромагнитное взаимодействия различны при нормальных условиях и становятся эквивалентными только тогда, когда энергии взаимодействующих частиц превышают энергию покоя этих частиц поля. Одно из предположений состоит в том, что поле Хиггса (названное в честь его автора, шотландского физика Питера Хиггса) может существовать повсюду в космосе, и что частицы получают свою массу через взаимодействие с этим полем.-32 м. В теории суперструн уравнения записываются в большом количестве измерений. (обычно 10), большинство из которых не наблюдаются напрямую, потому что они «свернуты» вокруг струны. Теория все еще находится в стадии разработки, особенно в отношении возможности экспериментальной проверки любого из его предсказаний.