Interacción débil
Fuerte interacción
La interacción fuerte es de acción corta. Su rango de acción es de unos 10-13 cm.
Las partículas que participan en interacciones fuertes se denominan hadrones. En una sustancia estable ordinaria, no demasiado. temperatura alta fuerte interacción no llama a ningún proceso. Su función es crear un enlace fuerte entre los nucleones (protones y neutrones) en los núcleos. La energía de enlace tiene un promedio de aproximadamente 8 MeV por nucleón. Además, en colisiones de núcleos o nucleones con suficiente alta energía(del orden de cientos de MeV), una interacción fuerte conduce a numerosos reacciones nucleares: fisión de núcleos, transformación de unos núcleos en otros, etc.
A partir de energías de nucleones en colisión del orden de varios cientos de MeV, una interacción fuerte conduce a la producción de mesones P. A energías aún más altas, nacen mesones K e hiperones, y muchas resonancias de mesones y bariones (las resonancias son estados excitados de hadrones de corta duración).
Al mismo tiempo, resultó que no todas las partículas experimentan una interacción fuerte. Así, los protones y neutrones lo experimentan, pero los electrones, neutrinos y fotones no están sujetos a él. Por lo general, en las interacciones fuertes sólo participan partículas pesadas.
Ha sido difícil desarrollar una explicación teórica de la naturaleza de la interacción fuerte. Sólo a principios de la década de 1960 se produjo un gran avance, cuando se propuso el modelo de quarks. En esta teoría, los neutrones y los protones no se consideran partículas elementales, sino sistemas compuestos, construido a partir de quarks
Los cuantos de interacción fuerte son ocho gluones. Los gluones reciben su nombre de palabra inglesa pegamento (pegamento), porque son los responsables del confinamiento de los quarks. Las masas restantes de los gluones son cero. Al mismo tiempo, los gluones tienen una carga coloreada, por lo que son capaces de interactuar entre sí, como dicen, de autointeracción, lo que dificulta la descripción matemática de la interacción fuerte debido a su no linealidad.
Su rango de acción es inferior a 10-15 cm. La interacción débil es varios órdenes de magnitud más débil no sólo que la fuerte, sino también la electromagnética. Además, es mucho más fuerte que la fuerza gravitacional en el microcosmos.
El primer proceso descubierto y más común causado por la interacción débil es la desintegración nuclear radiactiva.
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Este tipo de radiactividad fue descubierta en 1896 por A.A. Becquerelem. Durante el proceso de desintegración del electrón radiactivo /b - -/, uno de los neutrones / norte/ el núcleo atómico se convierte en un protón / r/ con emisión de electrones / mi-/ y antineutrino electrónico //:
n ® p + e-+
En el proceso de desintegración positrónica de /b + -/ se produce la siguiente transición:
p® n + e++
En la primera teoría de la desintegración b, creada en 1934 por E. Fermi, para explicar este fenómeno fue necesario introducir la hipótesis de la existencia de un tipo especial de fuerzas de corto alcance que provocan la transición.
n ® p + e-+
Investigaciones posteriores demostraron que la interacción introducida por Fermi tiene un carácter universal.
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Provoca la desintegración de todas las partículas inestables, cuyas masas y reglas de selección basadas en números cuánticos no les permiten desintegrarse debido a una interacción fuerte o electromagnética. La interacción débil es inherente a todas las partículas excepto a los fotones. El tiempo característico de los procesos de interacción débil a energías del orden de 100 MeV es 13-14 órdenes de magnitud más largo que el tiempo característico de la interacción fuerte.
Los cuantos de interacción débil son tres bosones: bosones W +, W −, Z°-. Los superíndices indican el signo de la carga eléctrica de estos cuantos. Los cuantos de interacción débiles tienen una masa significativa, lo que lleva al hecho de que interacción débil Aparece a distancias muy cortas.
Hay que tener en cuenta que hoy en día las interacciones débiles y electromagnéticas ya se combinan en una única teoría. Hay una serie de esquemas teóricos que intentan crear una teoría unificada de todos los tipos de interacción. Sin embargo, estos esquemas aún no se han desarrollado lo suficiente como para probarlos experimentalmente.
26. Física estructural. Aproximación corpuscular a la descripción y explicación de la naturaleza. Reduccionismo
Los objetos de la física estructural son los elementos de la estructura de la materia (por ejemplo, Moléculas, átomos, partículas elementales.) y más educación compleja de ellos. Este:
1) plasma - es un gas en el que una porción importante de las moléculas o átomos están ionizados;
2) cristales- Este sólidos, en el que los átomos o moléculas están dispuestos de manera ordenada y forman una estructura interna que se repite periódicamente;
3) liquidos- este es el estado de agregación de una sustancia, que combina las características de un estado sólido (conservación de volumen, cierta resistencia a la tracción) y un estado gaseoso (variabilidad de forma).
El líquido se caracteriza por:
a) orden de corto alcance en la disposición de partículas (moléculas, átomos);
b) una pequeña diferencia en la energía cinética del movimiento térmico y su energía potencial de interacción.
4) estrellas,ᴛ.ᴇ. bolas de gas (plasma) incandescentes.
Al identificar ecuaciones estructurales de una sustancia, se utilizan los siguientes criterios:
Dimensiones espaciales: las partículas del mismo nivel tienen dimensiones espaciales del mismo orden (por ejemplo, todos los átomos tienen dimensiones del orden de 10 -8 cm);
Tiempo de proceso: en un nivel es aproximadamente del mismo orden de magnitud;
Los objetos del mismo nivel constan de los mismos elementos (por ejemplo, todos los núcleos están formados por protones y neutrones);
Las leyes que explican los procesos en un nivel son cualitativamente diferentes de las leyes que explican los procesos en otro nivel;
Los objetos en diferentes niveles difieren en sus propiedades básicas (por ejemplo, todos los átomos son eléctricamente neutros y todos los núcleos tienen carga eléctrica positiva).
A medida que se descubren nuevos niveles de estructura y estados de la materia, el dominio de objetos de la física estructural se expande.
Hay que tener en cuenta que a la hora de resolver problemas físicos específicos, las cuestiones relacionadas con el esclarecimiento de la estructura, la interacción y el movimiento están estrechamente entrelazadas.
En la raíz de la física estructural hay un enfoque corpuscular para describir y explicar la naturaleza.
Por primera vez, el concepto del átomo como última e indivisible partícula del cuerpo surgió en Grecia antigua en el marco de las enseñanzas filosóficas naturales de la escuela de Leucipo-Demócrito. Según esta visión, en el mundo sólo hay átomos que se mueven en el vacío. Los antiguos atomistas consideraban evidente la continuidad de la materia. Diferentes combinaciones de átomos forman diferentes cuerpos visibles. Esta hipótesis no se basó en datos experimentales. Ella fue simplemente una suposición brillante. Pero determinó todo durante muchos siglos más. mayor desarrollo ciencias naturales.
La hipótesis de los átomos como partículas indivisibles de la materia revivió en las ciencias naturales, en particular en la física y la química, para explicar algunas leyes establecidas experimentalmente (por ejemplo, las leyes de Boyle-Mariotte y Gay-Lussac para los gases ideales, la expansión térmica de cuerpos, etc.). De hecho, la ley de Boyle-Mariotte establece que el volumen de un gas es inversamente proporcional a su presión, pero no explica por qué es así. Asimismo, cuando un cuerpo se calienta, su tamaño aumenta. Pero ¿a qué se debe esta expansión? En la teoría cinética de la materia, estos y otros patrones establecidos experimentalmente se explican con la ayuda de átomos y moléculas.
De hecho, la disminución directamente observada y mensurable de la presión del gas con un aumento de su volumen en la teoría cinética de la materia se explica como un aumento en el camino libre de sus átomos y moléculas constituyentes. Es como resultado de esto que aumenta el volumen ocupado por el gas. De manera similar, la expansión de los cuerpos cuando se calientan en la teoría cinética de la materia se explica por un aumento velocidad promedio moléculas en movimiento.
Explicaciones en las que se intenta reducir las propiedades de sustancias o cuerpos complejos a las propiedades de sus elementos o elementos más simples. componentes, llamado reduccionismo. Este método de análisis hizo posible resolver una gran clase de problemas en las ciencias naturales.
Arriba a finales del XIX v. Se creía que un átomo es la partícula de materia más pequeña, indivisible y sin estructura. Al mismo tiempo, los descubrimientos del electrón y la radiactividad demostraron que esto no es así. Surge el modelo planetario del átomo de Rutherford. Luego es reemplazada por la modelo N. Bora. Pero como antes, el pensamiento de los físicos apunta a reducir toda la variedad de propiedades complejas de los cuerpos y fenómenos naturales a propiedades simples un pequeño número de partículas primarias. Posteriormente, estas partículas fueron llamadas elemental. Ahora su número total supera los 350. Por esta razón, es poco probable que todas estas partículas puedan considerarse verdaderamente elementales y no contengan otros elementos. Esta creencia se ve reforzada por la hipótesis de la existencia de quarks. Según él, las partículas elementales conocidas están formadas por partículas con cargas eléctricas fraccionarias. ellos son llamados quarks.
Según el tipo de interacción en la que participan las partículas elementales, todas ellas, excepto el fotón, se clasifican en dos grupos:
1) hadrones. Vale decir que se caracterizan por la presencia de una fuerte interacción. Además, también pueden participar en interacciones débiles y electromagnéticas;
2) leptones. Οʜᴎ participar sólo en interacciones electromagnéticas y débiles;
Según su esperanza de vida se distinguen:
a) partículas elementales estables. Estos son el electrón, el fotón, el protón y el neutrino;
b) casi estable. Se trata de partículas que se desintegran debido a interacciones electromagnéticas y débiles. Por ejemplo, a + ® m ++;
c) inestable. Οʜᴎ decaimiento debido a una fuerte interacción, por ejemplo, neutrón.
Las cargas eléctricas de las partículas elementales son múltiplos de la carga más pequeña inherente al electrón. Al mismo tiempo, las partículas elementales se dividen en pares partícula - antipartícula, por ejemplo e - - e + (tienen todas las mismas características y los signos de la carga eléctrica son opuestos). Las partículas eléctricamente neutras también tienen antipartículas, por ejemplo, pag -,- .
Entonces, el concepto atomista se basa en la idea de la estructura discreta de la materia. El enfoque atomista explica las propiedades de un objeto físico en función de las propiedades de sus componentes. partículas diminutas, que en una determinada etapa de cognición se consideran indivisibles. Históricamente, estas partículas fueron reconocidas primero como átomos, luego como partículas elementales y ahora como quarks. La dificultad de este enfoque es la reducción completa de lo complejo a lo simple, sin tener en cuenta las diferencias cualitativas entre ellos.
Hasta finales del primer cuarto del siglo XX, la idea de la unidad de la estructura del macro y microcosmos se entendía mecanicistamente, como una completa identidad de leyes y como una completa similitud en la estructura de ambos.
Las micropartículas se interpretaron como copias en miniatura de macrocuerpos, ᴛ.ᴇ. como bolas extremadamente pequeñas (corpúsculos) que se mueven en órbitas precisas, que son completamente similares a las órbitas planetarias, con la única diferencia de que los cuerpos celestes están conectados por fuerzas interacción gravitacional y micropartículas, por fuerzas de interacción eléctrica.
Tras el descubrimiento del electrón (Thomson, 1897), la creación de la teoría cuántica (Planck, 1900) y la introducción del concepto de fotón (Einstein, 1905), la teoría atómica adquirió un nuevo carácter.
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La idea de discreción se extendió al campo de los fenómenos eléctricos y luminosos, al concepto de energía (en el siglo XIX, la doctrina de la energía sirvió como esfera de ideas sobre cantidades continuas y funciones de estado). La característica más importante de la enseñanza atómica moderna es el atomismo de la acción. Se debe al hecho de que el movimiento, las propiedades y los estados de varios microobjetos se pueden cuantificar, ᴛ.ᴇ. se expresan en forma de cantidades y proporciones discretas. El nuevo atomismo reconoce la estabilidad relativa de cada tipo discreto de materia, su certeza cualitativa, su relativa indivisibilidad e intransformabilidad dentro de los límites conocidos de los fenómenos naturales. Por ejemplo, ser divisible por algunos por medios fisicos, el átomo es indivisible químicamente, ᴛ.ᴇ. V procesos quimicos se comporta como algo completo, indivisible. Una molécula, al ser divisible químicamente en átomos, movimiento térmico(hasta ciertos límites) se comporta como un todo, indivisible, etc.
Particularmente importante en el concepto de nuevo atomismo es el reconocimiento de la interconvertibilidad de cualquier tipo discreto de materia.
Los diferentes niveles de organización estructural de la realidad física (quarks, micropartículas, núcleos, átomos, moléculas, macrocuerpos, megasistemas) tienen sus propias leyes físicas específicas. Pero no importa cuán diferentes sean los fenómenos que se estudian de los fenómenos estudiados por la física clásica, todos los datos experimentales deben describirse utilizando conceptos clásicos. Existe una diferencia fundamental entre la descripción del comportamiento del microobjeto en estudio y la descripción de la acción. instrumentos de medida. Este es el resultado del hecho de que la acción de los instrumentos de medición, en principio, debería describirse en el lenguaje de la física clásica, pero el objeto en estudio no puede describirse en este lenguaje.
El enfoque corpuscular para explicar fenómenos y procesos físicos siempre se ha combinado con el enfoque del continuo desde el surgimiento de la física de interacción. Se expresó en el concepto de campo y la divulgación de su papel en la interacción física. La representación del campo como un flujo de un cierto tipo de partículas (teoría cuántica de campos) y la atribución de propiedades ondulatorias a cualquier objeto físico (hipótesis de Louis de Broglie) reunieron estos dos enfoques para el análisis de los fenómenos físicos.
Interacción débil: concepto y tipos. Clasificación y características de la categoría "Interacción débil" 2017, 2018.
Esta es la tercera interacción fundamental, que existe sólo en el microcosmos. Es responsable de la transformación de algunas partículas de fermiones en otras, mientras que el color de los peptones y quarks que interactúan débilmente no cambia. Un ejemplo típico de interacción débil es el proceso de desintegración beta, durante el cual un neutrón libre se desintegra en un protón, un electrón y un antineutrino electrónico en una media de 15 minutos. La desintegración es causada por la transformación de un quark de sabor d en un quark de sabor u dentro del neutrón. El electrón emitido asegura la conservación de la carga eléctrica total, y el antineutrino permite conservar el momento mecánico total del sistema.
La función principal de la interacción fuerte es combinar quarks y antiquarks en hadrones. La teoría de las interacciones fuertes está en proceso de creación. Es una teoría de campo típica y se llama cromodinámica cuántica. Su punto de partida es el postulado de la existencia de tres tipos de cargas de color (rojo, azul, verde), que expresan la capacidad inherente de la materia para unir quarks en interacción fuerte. Cada uno de los quarks contiene alguna combinación de tales cargas, pero no se produce su compensación mutua completa y el quark tiene el color resultante, es decir, conserva la capacidad de interactuar fuertemente con otros quarks. Pero cuando tres quarks, o un quark y un antiquark, se combinan para formar un hadrón, la combinación neta de cargas de color que contiene es tal que el hadrón en su conjunto tiene un color neutro. Las cargas de color crean campos con sus cuantos inherentes: los bosones. El intercambio de bosones de color virtuales entre quarks y/o antiquarks sirve como base material para la interacción fuerte. Antes del descubrimiento de los quarks y las interacciones de color, la fuerza nuclear que une protones y neutrones en los núcleos de los átomos se consideraba fundamental. Con el descubrimiento del nivel de los quarks en la materia, la interacción fuerte comenzó a entenderse como interacciones de color entre quarks que se combinan para formar hadrones. Las fuerzas nucleares ya no se consideran fundamentales; de alguna manera deben expresarse a través de fuerzas coloreadas. Pero esto no es fácil de hacer, porque los bariones (protones y neutrones) que forman el núcleo generalmente son de color neutro. Por analogía, podemos recordar que los átomos en su conjunto son eléctricamente neutros, pero a nivel molecular aparecen fuerzas químicas, consideradas como ecos de las fuerzas eléctricas atómicas.
Los cuatro tipos de interacciones fundamentales considerados subyacen a todas las demás formas conocidas de movimiento de la materia, incluidas aquellas que surgieron en etapas superiores de desarrollo. Cualquier forma compleja de movimiento, cuando se descompone en componentes estructurales, se revela como modificaciones complejas de estas interacciones fundamentales.
La teoría de la "Gran Unificación" es una teoría que unifica las interacciones electromagnéticas, fuertes y débiles. Al mencionar la teoría de la "Gran Unificación", estamos hablando del hecho de que todas las fuerzas que existen en la naturaleza son una manifestación de una fuerza fundamental universal. Hay una serie de consideraciones que dan motivos para creer que en el momento del Big Bang, que dio origen a nuestro universo, sólo existía esta fuerza. Sin embargo, con el tiempo, el universo se expandió, lo que significa que se enfrió, y la fuerza única se dividió en varias fuerzas diferentes, que ahora observamos. La teoría de la "Gran Unificación" describiría las fuerzas electromagnética, fuerte, débil y gravitacional como manifestaciones de una fuerza universal. Ya se han producido algunos avances: los científicos han logrado construir una teoría que combina interacciones electromagnéticas y débiles. Sin embargo, el trabajo principal sobre la teoría de la “Gran Unificación” aún está por delante.
La física de partículas moderna se ve obligada a discutir cuestiones que, de hecho, preocupaban a los pensadores antiguos. ¿Cuál es el origen de las partículas y los átomos químicos formados a partir de estas partículas? ¿Y cómo se puede construir el Cosmos, el Universo visible para nosotros, a partir de partículas, sin importar cómo las llamemos? Y también: ¿fue creado el Universo o existe desde la eternidad? Si uno puede preguntarse esto, ¿cuáles son las vías de pensamiento que pueden conducir a respuestas convincentes? Todas estas preguntas son similares a la búsqueda de los verdaderos principios de la existencia, preguntas sobre la naturaleza de estos principios.
Digamos lo que digamos sobre el Cosmos, una cosa está clara: todo en el mundo natural está formado de partículas de una forma u otra. ¿Pero cómo entender esta composición? Se sabe que las partículas interactúan: se atraen o se repelen entre sí. La física de partículas estudia una variedad de interacciones. [Popper K. Sobre las fuentes del conocimiento y la ignorancia // Vopr. Historia de las ciencias naturales y la tecnología, 1992, núm. 3, pág. 32.]
La interacción electromagnética atrajo especial atención en los siglos XVIII y XIX. Se descubrieron similitudes y diferencias entre las interacciones electromagnéticas y gravitacionales. Al igual que la gravedad, las fuerzas electromagnéticas son inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia. Pero, a diferencia de la gravedad, la "gravedad" electromagnética no sólo atrae partículas (diferentes signos de carga), sino que también las repele entre sí (partículas con la misma carga). Y no todas las partículas son portadoras de carga eléctrica. Por ejemplo, el fotón y el neutrón son neutrales a este respecto. En los años 50 del siglo XIX. La teoría electromagnética de D. C. Maxwell (1831-1879) unificó los fenómenos eléctricos y magnéticos y aclaró así la acción de las fuerzas electromagnéticas. [Grünbaum A. Origen versus creación en cosmología física (distorsiones teológicas de la cosmología física moderna). - Pregunta. Filosofía, 1995, núm. 2, p. 19.]
El estudio de los fenómenos de la radiactividad condujo al descubrimiento de un tipo especial de interacción entre partículas, que se denominó interacción débil. Dado que este descubrimiento está relacionado con el estudio de la radiactividad beta, a esta interacción se le podría llamar desintegración beta. Sin embargo, en la literatura física se acostumbra hablar de interacción débil: es más débil que la interacción electromagnética, aunque mucho más fuerte que la interacción gravitacional. El descubrimiento fue facilitado por la investigación de W. Pauli (1900-1958), quien predijo que durante la desintegración beta se libera una partícula neutra, llamada neutrino, que compensa la aparente violación de la ley de conservación de la energía. Y además, el descubrimiento de las interacciones débiles contribuyó a la investigación de E. Fermi (1901-1954), quien, junto con otros físicos, sugirió que los electrones y neutrinos, antes de salir del núcleo radiactivo, no existen en el núcleo, por así decirlo, en forma ya preparada, pero se forman durante el proceso de radiación. [Grünbaum A. Origen versus creación en cosmología física (distorsiones teológicas de la cosmología física moderna). - Pregunta. Filosofía, 1995, núm. 2, p. 21.]
Finalmente, la cuarta interacción resultó estar asociada con procesos intranucleares. Llamada interacción fuerte, se manifiesta como la atracción de partículas intranucleares: protones y neutrones. Debido a su gran tamaño, resulta ser una fuente de enorme energía.
El estudio de los cuatro tipos de interacciones siguió el camino de la búsqueda de su conexión profunda. En este camino poco claro y en gran parte oscuro, sólo el principio de simetría guió la investigación y condujo a la identificación de la supuesta conexión. varios tipos interacciones.
Para identificar tales conexiones, fue necesario buscar un tipo especial de simetrías. Un ejemplo sencillo Este tipo de simetría se puede representar por la dependencia del trabajo realizado al levantar una carga de la altura del elevador. La energía gastada depende de la diferencia de altura, pero no depende de la naturaleza del camino de ascenso. Sólo la diferencia de altura es significativa y no importa en absoluto desde qué nivel comencemos la medición. Podemos decir que estamos ante una simetría con respecto a la elección del origen.
De manera similar, se puede calcular la energía de movimiento de una carga eléctrica en un campo eléctrico. El análogo de la altura aquí será el voltaje de campo o, en otras palabras, el potencial eléctrico. La energía gastada durante el movimiento de la carga dependerá únicamente de la diferencia de potencial entre los puntos final e inicial en el espacio del campo. Se trata de la llamada simetría de calibre o, en otras palabras, simetría de escala. Simetría de calibre referida campo eléctrico, está estrechamente relacionado con la ley de conservación de la carga eléctrica.
La simetría de calibre resultó ser la herramienta más importante, dando lugar a la posibilidad de resolver muchas dificultades en la teoría de las partículas elementales y en numerosos intentos de unificar varios tipos de interacciones. En electrodinámica cuántica, por ejemplo, surgen diversas divergencias. Estas divergencias pueden eliminarse debido a que el llamado procedimiento de renormalización, que elimina las dificultades de la teoría, está estrechamente relacionado con la simetría de calibre. Parece que las dificultades en la construcción de una teoría no sólo de las interacciones electromagnéticas, sino también de otras interacciones, pueden superarse si se pueden encontrar otras simetrías ocultas.
La simetría de calibre puede adquirir un carácter generalizado y puede atribuirse a cualquier campo de fuerza. A finales de los años 1960. S. Weinberg (n. 1933) de la Universidad de Harvard y A. Salam (n. 1926) del Imperial College de Londres, basándose en el trabajo de S. Glashow (n. 1932), emprendieron una unificación teórica de las interacciones electromagnéticas y débiles. Utilizaron la idea de simetría de calibre y el concepto de campo de calibre asociado con esta idea. [Yakushev A. S. Conceptos básicos de las ciencias naturales modernas. – M., Fakt-M, 2001, pág. 29.]
Aplicable para interacción electromagnética. forma más simple simetría de calibre. Resultó que la simetría de la interacción débil es más compleja que la de la interacción electromagnética. Esta complejidad se debe a la complejidad del proceso en sí, por así decirlo, al mecanismo de interacción débil.
En el proceso de interacción débil, por ejemplo, se produce la desintegración de un neutrón. En este proceso pueden participar partículas como neutrones, protones, electrones y neutrinos. Además, debido a la interacción débil, se produce una transformación mutua de partículas.
Disposiciones conceptuales de la teoría de la "Gran Unificación"
En la física teórica moderna, dos nuevos esquemas conceptuales marcan la pauta: la llamada teoría de la “Gran Unificación” y la supersimetría.
Estas tendencias científicas juntas conducen a una idea muy atractiva, según la cual toda la naturaleza está, en última instancia, sujeta a la acción de alguna superpotencia, que se manifiesta de diversas "formas". Esta fuerza es lo suficientemente poderosa como para crear nuestro Universo y dotarlo de luz, energía, materia y darle estructura. Pero la superpotencia es más que una simple fuerza creativa. En él, la materia, el espacio-tiempo y la interacción se fusionan en un todo armonioso e indivisible, generando tal unidad del Universo que nadie antes había imaginado. El propósito de la ciencia es esencialmente la búsqueda de dicha unidad. [Ovchinnikov N.F. Estructura y simetría // Investigación de sistemas, M., 1969, p. 137.]
En base a esto, existe una cierta confianza en la unificación de todos los fenómenos de la naturaleza viva e inanimada en el marco de un único esquema descriptivo. Hoy en día se conocen cuatro interacciones fundamentales o cuatro fuerzas en la naturaleza, responsables de todas las interacciones conocidas de partículas elementales: interacciones fuertes, débiles, electromagnéticas y gravitacionales. Las interacciones fuertes unen a los quarks. Las interacciones débiles son responsables de algunos tipos de desintegración nuclear. Las fuerzas electromagnéticas actúan entre cargas eléctricas y las fuerzas gravitacionales actúan entre masas. La presencia de estas interacciones es una condición suficiente y necesaria para construir el mundo que nos rodea. Por ejemplo, sin la gravedad, no solo no habría galaxias, estrellas y planetas, sino que el Universo no podría haber surgido; después de todo, los conceptos mismos de un Universo en expansión y el Big Bang, de donde se origina el espacio-tiempo, se basan sobre la gravedad. Sin interacciones electromagnéticas no habría átomos, ni química ni biología, ni calor ni luz solar. Sin interacciones nucleares fuertes, los núcleos no existirían y, por tanto, los átomos y las moléculas, la química y la biología no existirían, y las estrellas y el Sol no podrían generar calor y luz utilizando la energía nuclear.
Incluso las interacciones nucleares débiles desempeñan un papel en la formación del Universo. Sin ellos, las reacciones nucleares en el Sol y las estrellas serían aparentemente imposibles, no se producirían explosiones de supernovas y los elementos pesados necesarios para la vida no podrían extenderse por todo el Universo. Es posible que la vida no hubiera surgido. Si estamos de acuerdo con la opinión de que estas cuatro interacciones completamente diferentes, cada una de las cuales es a su manera necesaria para el surgimiento de estructuras complejas y para determinar la evolución de todo el Universo, son generadas por una única superpotencia simple, entonces la presencia de está fuera de toda duda una única ley fundamental que opere tanto en la naturaleza viva como en la no viva. La investigación moderna muestra que estas cuatro fuerzas alguna vez pudieron haberse combinado en una sola.
Esto fue posible gracias a las enormes energías características de la era del Universo temprano, poco después del Big Bang. De hecho, la teoría de la unificación de las interacciones electromagnéticas y débiles ya ha sido confirmada experimentalmente. Las teorías de la “Gran Unificación” deberían combinar estas interacciones con las fuertes, y las teorías de “Todo lo que es” deberían unificar las cuatro interacciones fundamentales como manifestaciones de una interacción. Historia térmica del Universo, a partir de 10 a 43 segundos. desde el Big Bang hasta nuestros días, muestra que la mayor parte del helio-4, helio-3, deuterones (núcleos de deuterio, un isótopo pesado del hidrógeno) y litio-7 se formaron en el Universo aproximadamente 1 minuto después del Big Bang.
Los elementos más pesados aparecieron en el interior de las estrellas decenas de millones o miles de millones de años después, y el surgimiento de la vida corresponde a la etapa final de la evolución del Universo. Basándonos en el análisis teórico y los resultados del modelado por computadora de sistemas disipativos que operan lejos del equilibrio, bajo la acción de un flujo de baja energía de frecuencia codificada, concluimos que existen dos procesos paralelos en el Universo: la entropía y la información. Además, el proceso entrópico de convertir materia en radiación no es dominante. [Soldatov V.K. Teoría de la “Gran Unificación”. – M., Posdata, 2000, pág. 38.]
En estas condiciones, surge un nuevo tipo de autoorganización evolutiva de la materia, que conecta el comportamiento espaciotemporal coherente del sistema con procesos dinámicos dentro del propio sistema. Luego, a escala del Universo, esta ley se formulará de la siguiente manera: “Si el Big Bang condujo a la formación de 4 interacciones fundamentales, entonces la mayor evolución de la organización espacio-temporal del Universo está asociada con su unificación. " Por tanto, en nuestra opinión, la ley de la entropía creciente debe aplicarse no a partes individuales del Universo, sino a todo el proceso de su evolución. En el momento de su formación, el Universo resultó estar cuantificado en niveles de jerarquía espacio-temporal, cada uno de los cuales corresponde a una de las interacciones fundamentales. La fluctuación resultante, percibida como una imagen en expansión del Universo, en un momento determinado comienza a restablecer su equilibrio. El proceso de mayor evolución se produce en una imagen especular.
En otras palabras, dos procesos ocurren simultáneamente en el Universo observable. Un proceso, la antientropía, está asociado con la restauración del equilibrio alterado mediante la autoorganización de la materia y la radiación en estados macrocuánticos (los ejemplos físicos incluyen estados de la materia tan conocidos como la superfluidez, la superconductividad y el efecto Hall cuántico). Este proceso, aparentemente, determina la evolución secuencial de los procesos de fusión termonuclear en las estrellas, la formación de sistemas planetarios, minerales, flora y organismos unicelulares y multicelulares. Esto sigue automáticamente la orientación autoorganizativa del tercer principio de la evolución progresiva de los organismos vivos.
El otro proceso es de naturaleza puramente entrópica y describe los procesos de transición evolutiva cíclica de la materia autoorganizada (decadencia - autoorganización). Es posible que estos principios puedan servir como base para crear un aparato matemático que nos permita combinar las cuatro interacciones en una superfuerza. Como ya se señaló, este es el problema que ocupa actualmente a la mayoría de los físicos teóricos. La argumentación adicional de este principio va mucho más allá del alcance de este artículo y está relacionada con la construcción de la teoría de la autoorganización evolutiva del universo. Por tanto, saquemos la conclusión principal y veamos qué tan aplicable es a los sistemas biológicos, los principios de su control y, lo más importante, a las nuevas tecnologías para el tratamiento y prevención de condiciones patológicas del cuerpo. En primer lugar, nos interesarán los principios y mecanismos de mantenimiento de la autoorganización y evolución de los organismos vivos, así como las causas de sus violaciones, que se manifiestan en forma de todo tipo de patologías.
El primero de ellos es el principio de control de frecuencia de código, cuyo objetivo principal es mantener, sincronizar y controlar los flujos de energía dentro de cualquier sistema disipativo abierto y autoorganizado. La implementación de este principio para los organismos vivos requiere la presencia en cada nivel jerárquico estructural de un objeto biológico (molecular, subcelular, celular, tisular, organoide, organismo, población, biocenótico, biótico, paisaje, biosfera, cósmico) la presencia de un proceso biorritmológico. asociado al consumo y consumo de la energía transformada, lo que determina la actividad y secuencia de procesos dentro del sistema. Este mecanismo ocupa un lugar central en las primeras etapas del surgimiento de la vida en los procesos de formación de la estructura del ADN y el principio de reduplicación de códigos discretos de información hereditaria, así como en procesos como la división celular y la posterior diferenciación. Como saben, el proceso de división celular siempre ocurre en una secuencia estricta: profase, metafase, telofase y luego anafase. Puedes violar las condiciones de división, interferir con ella, incluso eliminar el núcleo, pero la secuencia siempre se conservará. Sin duda, nuestro cuerpo está dotado de los sincronizadores más perfectos: un sistema nervioso sensible a los más mínimos cambios en el entorno externo e interno, y un sistema humoral más lento. Al mismo tiempo, la zapatilla ciliada, en completa ausencia de los sistemas nervioso y humoral, vive, se alimenta, excreta, se reproduce, y todos estos procesos complejos no ocurren de manera caótica, sino en estricta secuencia: cualquier reacción predetermina la siguiente. y eso a su vez libera productos, que son necesarios para iniciar la siguiente reacción. [Soldatov V.K. Teoría de la “Gran Unificación”. – M., Posdata, 2000, pág. 59.]
Cabe señalar que la teoría de Einstein marcó un progreso tan importante en la comprensión de la naturaleza que pronto se hizo inevitable una revisión de las opiniones sobre otras fuerzas de la naturaleza. En ese momento, la única "otra" fuerza cuya existencia estaba firmemente establecida era la interacción electromagnética. Sin embargo, exteriormente no se parecía en absoluto a la gravedad. Además, varias décadas antes de la creación de la teoría de la gravedad de Einstein, el electromagnetismo fue descrito con éxito por la teoría de Maxwell, y no había razón para dudar de la validez de esta teoría.
A lo largo de su vida, Einstein soñó con crear una teoría de campo unificado en la que todas las fuerzas de la naturaleza se fusionaran sobre la base de la geometría pura. Einstein dedicó la mayor parte de su vida a la búsqueda de dicho esquema después de crear la teoría general de la relatividad. Sin embargo, irónicamente, quien estuvo más cerca de realizar el sueño de Einstein fue el poco conocido físico polaco Theodor Kaluza, quien allá por 1921 sentó las bases de un nuevo e inesperado enfoque para la unificación de la física, que aún asombra la imaginación por su audacia. .
Con el descubrimiento de las interacciones fuertes y débiles en los años 30 del siglo XX, las ideas de unificar la gravedad y el electromagnetismo perdieron en gran medida su atractivo. Una teoría consistente del campo unificado debería haber incluido no dos, sino cuatro fuerzas. Obviamente, esto no podría hacerse sin lograr una comprensión profunda de las interacciones fuertes y débiles. A finales de la década de 1970, gracias al viento fresco traído por las Grandes Teorías Unificadas (GUT) y la supergravedad, se recordó la antigua teoría de Kaluza-Klein. Le quitaron el polvo, lo vistieron a la moda e incluyeron en él todas las interacciones conocidas hasta la fecha.
En GUT, los teóricos lograron reunir tres tipos muy diferentes de interacciones dentro de un concepto; esto se debe al hecho de que las tres interacciones se pueden describir utilizando campos de calibre. La principal propiedad de los campos de calibre es la existencia de simetrías abstractas, gracias a las cuales este enfoque gana elegancia y abre amplias posibilidades. La presencia de simetrías en los campos de fuerza indica con bastante claridad la manifestación de alguna geometría oculta. En la resurrección de la teoría de Kaluza-Klein, las simetrías de los campos de calibre se vuelven concretas: son simetrías geométricas asociadas con dimensiones adicionales del espacio.
Como en la versión original, las interacciones se introducen en la teoría añadiendo dimensiones espaciales adicionales al espacio-tiempo. Sin embargo, dado que ahora necesitamos dar cabida a interacciones de tres tipos, tenemos que introducir varias dimensiones adicionales. Simplemente contar el número de operaciones de simetría involucradas en GUT conduce a una teoría con siete dimensiones espaciales adicionales (llevando el total a diez); Si tenemos en cuenta el tiempo, entonces el espacio-tiempo tiene once dimensiones en total. [Soldatov V.K. Teoría de la “Gran Unificación”. – M., Posdata, 2000, pág. 69.]
Disposiciones básicas de la teoría de la "Gran Unificación" desde el punto de vista de la física cuántica.
En física cuántica, cada escala de longitud está asociada a una escala de energía (o masas equivalentes). Cuanto menor sea la escala de longitud que se estudia, mayor será la energía necesaria para ello. El estudio de la estructura de los quarks del protón requiere energías equivalentes al menos a diez veces la masa del protón. Significativamente más arriba en la escala de energía está la masa correspondiente a la Gran Unificación. Si alguna vez logramos alcanzar una masa (energía) tan enorme, de la que hoy estamos muy lejos, entonces será posible estudiar el mundo de las partículas X, en el que se borran las diferencias entre quarks y leptones.
¿Qué tipo de energía se necesita para penetrar “dentro” de la 7 esfera y explorar dimensiones adicionales del espacio? Según la teoría de Kaluza-Klein, se requiere superar la escala de Gran Unificación y alcanzar energías equivalentes a 10 19 masas de protones. Sólo con energías tan inimaginablemente enormes sería posible observar directamente las manifestaciones de dimensiones adicionales del espacio.
Este enorme valor (10 19 masas de un protón) se llama masa de Planck, ya que fue introducido por primera vez por Max Planck, el creador de la teoría cuántica. Con una energía correspondiente a la masa de Planck, las cuatro interacciones en la naturaleza se fusionarían en una sola superfuerza y diez dimensiones espaciales serían completamente iguales. Si fuera posible concentrar una cantidad suficiente de energía, “asegurando el logro de la masa de Planck, entonces la dimensión completa del espacio aparecería en todo su esplendor [Yakushev A. S. Conceptos básicos de las ciencias naturales modernas – M., Fakt-M. , 2001, pág.122.]
Al dar rienda suelta a la imaginación, uno puede imaginar que algún día la humanidad obtendrá superpoderes. Si esto sucediera, entonces ganaríamos poder sobre la naturaleza, ya que el superpoder en última instancia da origen a todas las interacciones y a todos los objetos físicos; en este sentido, es el principio fundamental de todas las cosas. Habiendo dominado el superpoder, podríamos cambiar la estructura del espacio y el tiempo, doblar el vacío a nuestra manera y poner la materia en orden. Al controlar la superpotencia, podríamos crear o transformar partículas a voluntad, generando formas nuevas y exóticas de materia. Incluso podríamos manipular la dimensión del espacio mismo, creando extraños mundos artificiales con propiedades inimaginables. ¡Realmente nos convertiríamos en dueños del Universo!
¿Pero cómo lograrlo? En primer lugar, es necesario obtener una cantidad suficiente de energía. Para tener una idea de lo que estamos hablando, recordemos que el acelerador lineal de 3 km de Stanford acelera electrones hasta energías equivalentes a 20 masas de protones. Para alcanzar la energía de Planck, sería necesario alargar el acelerador entre 10 y 18 veces, hasta alcanzar el tamaño de la Vía Láctea (unos cien mil años luz). Un proyecto así no es algo que pueda implementarse en un futuro previsible. [Wheeler J. A. Quantum y el Universo // Astrofísica, cuantos y teoría de la relatividad, M., 1982, p. 276.]
La Gran Teoría Unificada distingue claramente tres umbrales o escalas de energía. En primer lugar, se trata del umbral de Weinberg-Salam, equivalente a casi 90 masas de protones, por encima del cual las interacciones electromagnéticas y débiles se fusionan en una única interacción electrodébil. La segunda escala, correspondiente a 10 14 masas de protones, es característica de la Gran Unificación y de la nueva física basada en ella. Finalmente, la escala definitiva, la masa de Planck, equivalente a 10 19 masas de protones, corresponde a la unificación completa de todas las interacciones, como resultado de lo cual el mundo se simplifica sorprendentemente. Uno de los mayores problemas pendientes es explicar la existencia de estas tres escalas, así como el porqué de una diferencia tan fuerte entre la primera y la segunda de ellas. [Soldatov V.K. Teoría de la “Gran Unificación”. – M., Posdata, 2000, pág. 76.]
La tecnología moderna sólo es capaz de alcanzar la primera escala. La desintegración de protones podría proporcionarnos un medio indirecto para estudiar el mundo físico en la escala Gran Unificada, aunque en la actualidad no parece haber esperanza de alcanzar directamente este límite, y mucho menos en la escala de masa de Planck.
¿Significa esto que nunca seremos capaces de observar manifestaciones de la superpotencia original y de las siete dimensiones invisibles del espacio? Utilizando medios técnicos como un supercolisionador superconductor, estamos ascendiendo rápidamente en la escala de energías alcanzables en condiciones terrestres. Sin embargo, la tecnología creada por el hombre no agota todas las posibilidades: la naturaleza misma también existe. El Universo es un gigantesco laboratorio natural en el que hace 18 mil millones de años se “realizó” el mayor experimento en el campo de la física de partículas elementales. A este experimento lo llamamos el Big Bang. Como se verá más adelante, este acontecimiento inicial fue suficiente para liberar, aunque sea por un momento muy breve, una superpotencia. Sin embargo, esto, aparentemente, fue suficiente para que la existencia fantasmal de la superpotencia dejara su huella para siempre. [Yakushev A. S. Conceptos básicos de las ciencias naturales modernas. – M., Fakt-M, 2001, pág. 165.]
Esta interacción es la más débil de las interacciones fundamentales observadas experimentalmente en las desintegraciones de partículas elementales, donde los efectos cuánticos son fundamentalmente significativos. Recordemos que nunca se han observado manifestaciones cuánticas de interacción gravitacional. Las interacciones débiles se resaltan usando siguiente regla: si en el proceso de interacción interviene una partícula elemental llamada neutrino (o antineutrino), entonces esta interacción es débil.
Un ejemplo típico de interacción débil es la desintegración beta de un neutrón, donde norte– neutrón, pag– protón, mi– – electrón, mi+ – antineutrino electrónico. Sin embargo, hay que tener en cuenta que la regla anterior no significa en absoluto que cualquier acto de interacción débil deba ir acompañado de un neutrino o antineutrino. Se sabe que se producen una gran cantidad de desintegraciones sin neutrinos. Como ejemplo, podemos observar el proceso de desintegración del hiperón D lambda en un protón. pag+ y pion cargado negativamente pag– . Por ideas modernas El neutrón y el protón no son verdaderas partículas elementales, sino que están compuestos de partículas elementales llamadas quarks.
La intensidad de la interacción débil se caracteriza por la constante de acoplamiento de Fermi. G.F.. Constante G.F. dimensional. Para formar una cantidad adimensional, es necesario utilizar alguna masa de referencia, por ejemplo la masa de un protón. m p. Entonces la constante de acoplamiento adimensional será. Se puede observar que la interacción débil es mucho más intensa que la interacción gravitacional.
La interacción débil, a diferencia de la interacción gravitacional, es de corto alcance. Esto significa que la fuerza débil entre partículas sólo entra en juego si las partículas están lo suficientemente cerca unas de otras. Si la distancia entre partículas excede un cierto valor llamado radio de interacción característico, la interacción débil no se manifiesta. Se ha establecido experimentalmente que el radio característico de interacción débil es de aproximadamente 10 a 15 cm, es decir, la interacción débil se concentra a distancias menores que el tamaño del núcleo atómico.
¿Por qué podemos hablar de interacción débil como un tipo independiente de interacción fundamental? La respuesta es sencilla. Se ha establecido que existen procesos de transformación de partículas elementales que no se reducen a interacciones gravitacionales, electromagnéticas y fuertes. Buen ejemplo, que muestra que existen tres interacciones cualitativamente diferentes en los fenómenos nucleares, está asociado con la radiactividad. Los experimentos indican la presencia de tres varios tipos radiactividad: desintegraciones radiactivas α, β y γ. En este caso, la desintegración α se debe a una fuerte interacción, la desintegración γ se debe a una interacción electromagnética. La desintegración β restante no puede explicarse por las interacciones electromagnética y fuerte, y nos vemos obligados a aceptar que existe otra interacción fundamental, llamada débil. En el caso general, la necesidad de introducir una interacción débil se debe al hecho de que en la naturaleza ocurren procesos en los que las leyes de conservación prohíben las desintegraciones electromagnéticas y fuertes.
Aunque la interacción débil se concentra significativamente dentro del núcleo, tiene ciertas manifestaciones macroscópicas. Como ya hemos señalado, está asociado con el proceso de β-radiactividad. Además, la interacción débil juega un papel importante en las llamadas reacciones termonucleares, responsables del mecanismo de liberación de energía en las estrellas.
La propiedad más sorprendente La interacción débil es la existencia de procesos en los que se manifiesta la asimetría del espejo. A primera vista, parece obvio que la diferencia entre los conceptos de izquierda y derecha es arbitraria. De hecho, los procesos de interacción gravitacional, electromagnética y fuerte son invariantes con respecto a la inversión espacial, que lleva a cabo la reflexión especular. Se dice que en tales procesos la paridad espacial P se conserva. Sin embargo, se ha establecido experimentalmente que los procesos débiles pueden proceder sin conservación de la paridad espacial y, por lo tanto, parecen sentir la diferencia entre izquierda y derecha. Actualmente, existe evidencia experimental sólida de que la no conservación de la paridad en interacciones débiles es de naturaleza universal y se manifiesta no sólo en la desintegración de partículas elementales, sino también en fenómenos nucleares e incluso atómicos; Debe reconocerse que la asimetría especular es una propiedad de la Naturaleza en el nivel más fundamental.
La no conservación de la paridad en interacciones débiles parecía una propiedad tan inusual que casi inmediatamente después de su descubrimiento, los teóricos comenzaron a intentar demostrar que, de hecho, existía una simetría completa entre izquierda y derecha, solo que tenía un significado más profundo de lo que se pensaba anteriormente. La reflexión especular debe ir acompañada de la sustitución de partículas por antipartículas (conjugación de carga C), y luego todas las interacciones fundamentales deben ser invariantes. Sin embargo, posteriormente se estableció que esta invariancia no es universal. Hay desintegraciones débiles de los llamados kaones neutros de larga duración en piones p + , p – , que están prohibidas si realmente se produce la invariancia indicada. De este modo, característica distintiva La interacción débil es su no invariancia CP. Es posible que esta propiedad sea la responsable de que la materia en el Universo prevalezca significativamente sobre la antimateria, formada a partir de antipartículas. El mundo y el antimundo son asimétricos.
La cuestión de qué partículas son portadoras de la interacción débil no está clara desde hace mucho tiempo. La comprensión se logró hace relativamente poco tiempo en el marco de la teoría unificada de las interacciones electrodébiles: la teoría de Weinberg-Salam-Glashow. Actualmente se acepta generalmente que los portadores de la interacción débil son los llamados bosones W + - y Z 0 -. Estas son partículas elementales cargadas W + y neutras Z 0 con espín 1 y masas iguales en orden de magnitud a 100. m p.
El tiempo es como un río que arrastra acontecimientos que pasan y su corriente es fuerte; Tan pronto como algo aparece ante tus ojos, ya se ha dejado llevar, y puedes ver algo más que pronto también se dejará llevar.
Marco Aurelio
Cada uno de nosotros se esfuerza por crear una imagen holística del mundo, incluida una imagen del Universo, desde las partículas subatómicas más pequeñas hasta las de mayor escala. Pero las leyes de la física son a veces tan extrañas y contraintuitivas que esta tarea puede resultar abrumadora para quienes no se han convertido en físicos teóricos profesionales.
Un lector pregunta:
Aunque esto no es astronomía, tal vez puedas darme una pista. La fuerza fuerte es transportada por los gluones y une a los quarks y a los gluones. El electromagnético es transportado por fotones y une partículas cargadas eléctricamente. La gravedad supuestamente es transportada por gravitones y une todas las partículas a masa. Lo débil es transportado por partículas W y Z, y... ¿está asociado con la desintegración? ¿Por qué se describe así la fuerza débil? ¿Es la fuerza débil responsable de la atracción y/o repulsión de alguna partícula? ¿Y cuáles? Y si no, ¿por qué es una de las interacciones fundamentales si no está asociada a ninguna fuerza? Gracias.
Y todo esto es interacción, fuerza. Para las partículas cuyo estado se puede medir, la aplicación de una fuerza cambia su momento; en la vida ordinaria, en tales casos hablamos de aceleración. Y esto es cierto para tres de estas fuerzas.
En el caso de la gravedad, una cantidad total de energía (principalmente masa, pero esto incluye toda la energía) curva el espacio-tiempo, y el movimiento de todas las demás partículas cambia en presencia de cualquier cosa que tenga energía. Así es como funciona en la teoría clásica (no cuántica) de la gravedad. Tal vez haya más teoria general, la gravedad cuántica, donde se intercambian gravitones, lo que lleva a lo que observamos como interacción gravitacional.
Antes de continuar, comprenda:
En el electromagnetismo, la propiedad principal es carga electrica. A diferencia de la gravedad, puede ser positiva o negativa. Un fotón, una partícula que transporta la fuerza asociada con una carga, hace que cargas similares se repelan y cargas diferentes se atraigan.
Vale la pena señalar que las cargas en movimiento, o corrientes eléctricas, experimentan otra manifestación de electromagnetismo: el magnetismo. Con la gravedad ocurre lo mismo, y se llama gravitomagnetismo (o gravitoelectromagnetismo). No profundizaremos más: la cuestión es que no solo hay una carga y un portador de fuerza, sino también corrientes.
También existe una fuerte interacción nuclear, que tiene tres tipos de cargas. Aunque todas las partículas tienen energía y están sujetas a la gravedad, y aunque los quarks, la mitad de los leptones y un par de bosones contienen cargas eléctricas, sólo los quarks y los gluones tienen una carga coloreada y pueden experimentar la fuerza nuclear fuerte.
Hay muchas masas en todas partes, por lo que la gravedad es fácil de observar. Y como la fuerza fuerte y el electromagnetismo son bastante fuertes, también son fáciles de observar.
Pero ¿qué pasa con este último? ¿Interacción débil?
Normalmente hablamos de ello en el contexto de la desintegración radiactiva. Un quark o leptón pesado se desintegra en otros más ligeros y estables. Sí, la interacción débil tiene algo que ver con esto. pero en en este ejemplo es de alguna manera diferente de otras fuerzas.
Resulta que la interacción débil también es una fuerza, pero no se habla a menudo de ella. ¡Ella es débil! 10.000.000 de veces más débil que el electromagnetismo en una distancia del diámetro de un protón.
Una partícula cargada siempre tiene carga, independientemente de si se está moviendo o no. Pero corriente eléctrica, creado por él, depende de su movimiento en relación con otras partículas. La corriente determina el magnetismo, que es tan importante como parte electrica electromagnetismo. Las partículas compuestas como el protón y el neutrón tienen momentos magnéticos significativos, al igual que el electrón.
Los quarks y leptones vienen en seis sabores. Quarks: arriba, abajo, extraño, encantado, encantador, verdadero (según ellos designaciones de letras en latín u, d, s, c, t, b - arriba, abajo, extraño, encanto, arriba, abajo). Leptones: electrón, electrón-neutrino, muón, muón-neutrino, tau, tau-neutrino. Cada uno de ellos tiene una carga eléctrica, pero también un olor. Si combinamos el electromagnetismo y la fuerza débil para obtener la fuerza electrodébil, entonces cada una de las partículas tendrá una carga débil, o corriente electrodébil, y una constante de fuerza débil. Todo esto se describe en el Modelo Estándar, pero fue bastante difícil probarlo porque el electromagnetismo es muy fuerte.
En un nuevo experimento, cuyos resultados se publicaron recientemente, se midió por primera vez la contribución de la interacción débil. El experimento permitió determinar la interacción débil de los quarks arriba y abajo.
Y las cargas débiles del protón y del neutrón. Las predicciones del modelo estándar para cargas débiles fueron:
Q W (p) = 0,0710 ± 0,0007,
Q W (n) = -0,9890 ± 0,0007.
Y basándose en los resultados de la dispersión, el experimento produjo los siguientes valores:
Q W (p) = 0,063 ± 0,012,
Q W (n) = -0,975 ± 0,010.
Lo cual coincide muy bien con la teoría, teniendo en cuenta el error. Los experimentadores dicen que al procesar más datos, reducirán aún más el error. Y si hay alguna sorpresa o divergencia con el modelo estándar, ¡será genial! Pero nada indica esto:
Por tanto, las partículas tienen una carga débil, pero no hablamos de ello, ya que es irrealmente difícil de medir. Pero lo hicimos de todos modos y parece que hemos reconfirmado el Modelo Estándar.
Los bosones vectoriales son portadores de la interacción débil. W. + , W.− y z 0 . En este caso se distingue entre la interacción de las llamadas corrientes débiles cargadas y corrientes débiles neutras. Interacción de corrientes cargadas (con la participación de bosones cargados W.± ) conduce a un cambio en las cargas de las partículas y a la transformación de algunos leptones y quarks en otros leptones y quarks. Interacción de corrientes neutras (con la participación de un bosón neutro z 0) no cambia las cargas de las partículas y convierte leptones y quarks en las mismas partículas.
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Utilizando la hipótesis de Pauli, Enrico Fermi desarrolló la primera teoría de la desintegración beta en 1933. Es interesante que a su trabajo se le negó la publicación en la revista. Naturaleza, citando la excesiva abstracción del artículo. La teoría de Fermi se basa en el uso de un método de cuantificación secundario, similar al que ya se había aplicado en aquella época para los procesos de emisión y absorción de fotones. Una de las ideas expresadas en el trabajo fue también la afirmación de que las partículas que salen volando del átomo no estaban inicialmente contenidas en él, sino que nacieron en el proceso de interacción.
Durante mucho tiempo se creyó que las leyes de la naturaleza son simétricas con respecto a la reflexión especular, es decir, el resultado de cualquier experimento debería ser el mismo que el resultado de un experimento realizado en una instalación simétrica. Esta simetría es relativa a la inversión espacial (que generalmente se denota como PAG) está asociado con la ley de conservación de la paridad. Sin embargo, en 1956, al considerar teóricamente el proceso de desintegración de los mesones K, Yang Zhenning y Li Zongdao sugirieron que la interacción débil podría no obedecer a esta ley. Ya en 1957, el grupo de Wu Jiansong confirmó esta predicción en un experimento sobre la desintegración β, que le valió a Yang y Li el Premio Nobel de Física de 1957. Posteriormente, el mismo hecho se confirmó con la desintegración del muón y otras partículas.
Para explicar los nuevos hechos experimentales, en 1957, Murray Gell-Mann, Richard Feynman, Robert Marchak y George Sudarshan desarrollaron una teoría universal de la interacción débil de cuatro fermiones, llamada V − A-teorías.
En un esfuerzo por preservar la máxima simetría posible de las interacciones, L. D. Landau sugirió en 1957 que aunque PAG-la simetría se rompe en las interacciones débiles; en ellas se debe preservar la simetría combinada; CP- una combinación de reflejo especular y sustitución de partículas por antipartículas. Sin embargo, en 1964, James Cronin y Val Fitch encontraron una violación débil en las desintegraciones de los kaones neutrales. CP-paridad. La interacción débil también resultó ser la responsable de esta violación; además, la teoría en este caso predijo que además de las dos generaciones de quarks y leptones conocidas en ese momento, debería haber al menos una generación más. Esta predicción se confirmó primero en 1975 con el descubrimiento del leptón tau y luego en 1977 con el descubrimiento del quark b. Cronin y Fitch recibieron el Premio Nobel de Física en 1980.
Todos los fermiones fundamentales (leptones y quarks) participan en interacciones débiles. Ésta es la única interacción en la que participan los neutrinos (aparte de la gravedad, que es insignificante en condiciones de laboratorio), lo que explica el colosal poder de penetración de estas partículas. La interacción débil permite a los leptones, quarks y sus antipartículas intercambiar energía, masa, carga eléctrica y números cuánticos, es decir, convertirse entre sí.
La interacción débil recibe su nombre del hecho de que su intensidad característica es mucho menor que la del electromagnetismo. En física de partículas elementales, la intensidad de una interacción suele caracterizarse por la velocidad de los procesos provocados por esta interacción. Cuanto más rápido ocurren los procesos, mayor es la intensidad de la interacción. A energías de partículas que interactúan del orden de 1 GeV, la velocidad característica de los procesos causados por la interacción débil es de aproximadamente 10 −10 s, que es aproximadamente 11 órdenes de magnitud mayor que para los procesos electromagnéticos, es decir, los procesos débiles son procesos extremadamente lentos. .
Otra característica de la intensidad de la interacción es el camino libre de las partículas en una sustancia. Entonces, para detener un hadrón volador debido a una fuerte interacción, se necesita una placa de hierro de varios centímetros de espesor. Y un neutrino, que sólo participa en interacciones débiles, puede volar a través de una placa de miles de millones de kilómetros de espesor.
Entre otras cosas, la interacción débil tiene un alcance de acción muy corto: aproximadamente 2,10 -18 m (esto es aproximadamente 1000 veces tamaño más pequeño granos). Por esta razón, a pesar de que la interacción débil es mucho más intensa que la interacción gravitacional, cuyo radio es ilimitado, juega un papel notablemente menor. Por ejemplo, incluso para núcleos ubicados a una distancia de 10-10 m, la interacción débil es más débil no solo que la electromagnética, sino también la gravitacional.
En este caso, la intensidad de los procesos débiles depende en gran medida de la energía de las partículas que interactúan. Cuanto mayor es la energía, mayor es la intensidad. Por ejemplo, debido a una interacción débil, un neutrón, cuya energía liberada durante la desintegración beta es de aproximadamente 0,8 MeV, se desintegra en un tiempo de aproximadamente 10 3 s, y un hiperón Λ con una liberación de energía de aproximadamente cien veces más. ya en 10 −10 s. Lo mismo ocurre con los neutrinos energéticos: la sección transversal para la interacción con un nucleón de un neutrino con una energía de 100 GeV es seis órdenes de magnitud mayor que la de un neutrino con una energía de aproximadamente 1 MeV. Sin embargo, a energías del orden de varios cientos de GeV (en el marco del centro de masa de las partículas en colisión), la intensidad de la interacción débil se vuelve comparable a la energía de la interacción electromagnética, por lo que se pueden describir. de manera unificada como la interacción electrodébil.
La interacción débil es la única interacción fundamental para la cual no se cumple la ley de conservación de la paridad, esto significa que las leyes que gobiernan los procesos débiles cambian cuando el sistema se refleja. La violación de la ley de conservación de la paridad conduce al hecho de que solo las partículas zurdas (cuyo giro está dirigido en dirección opuesta al impulso), pero no las diestras (cuyo giro está alineado con el impulso), están sujetas a una interacción débil. , y viceversa: las antipartículas diestras interactúan débilmente, pero las zurdas son inertes.
Además de la paridad espacial, la interacción débil tampoco preserva la paridad combinada de carga espacial, es decir, la única interacción conocida viola el principio CP-invariancia.
La primera teoría de la interacción débil fue desarrollada por Enrico Fermi en los años 1930. Su teoría se basa en una analogía formal entre el proceso de desintegración β y los procesos electromagnéticos de emisión de fotones. La teoría de Fermi se basa en la interacción de las llamadas corrientes hadrónicas y leptónicas. Además, a diferencia del electromagnetismo, se supone que su interacción es de contacto y no implica la presencia de un portador similar a un fotón. En notación moderna, la interacción entre los cuatro fermiones principales (protón, neutrón, electrón y neutrino) se describe mediante un operador de la forma
G F 2 p ¯ ^ n ^ ⋅ e ¯ ^ ν ^ (\displaystyle (\frac (G_(F))(\sqrt (2)))(\hat (\overline (p)))(\hat (n) )\cdot (\hat (\overline (e)))(\hat (\nu ))),Dónde G F (\displaystyle G_(F))- la llamada constante de Fermi, numéricamente igual a aproximadamente 10 −48 J/m³ o 10 − 5 / m p 2 (\displaystyle 10^(-5)/m_(p)^(2)) (metro p (\displaystyle m_(p))- masa de protones) en el sistema de unidades, donde ℏ = c = 1 (\displaystyle \hbar =c=1); p ¯ ^ (\displaystyle (\hat (\overline (p))))- operador de creación de protones (o destrucción de antiprotones), norte ^ (\displaystyle (\sombrero (n)))- operador de destrucción de neutrones (nacimiento de antineutrones), mi ¯ ^ (\displaystyle (\hat (\overline (e))))- operador de creación de electrones (destrucción de positrones), ν ^ (\displaystyle (\hat (\nu )))- operador de destrucción de neutrinos (nacimiento de antineutrinos).
Trabajar p ¯ ^ n ^ (\displaystyle (\hat (\overline (p)))(\hat (n))), responsable de la transferencia de un neutrón a un protón, se llama corriente de nucleón, y mi ¯ ^ ν ^ , (\displaystyle (\hat (\overline (e)))(\hat (\nu )),) convertir un electrón en un neutrino - leptón. Se postula que estas corrientes, similares a las corrientes electromagnéticas, son de 4 vectores. p ¯ ^ γ μ n ^ (\displaystyle (\hat (\overline (p)))\gamma _(\mu )(\hat (n))) Y e ¯ ^ γ μ ν ^ (\displaystyle (\hat (\overline (e)))\gamma _(\mu )(\hat (\nu ))) (γ μ , μ = 0 … 3 (\displaystyle \gamma _(\mu ),~\mu =0\dots 3)- Matrices de Dirac). Por tanto, su interacción se llama vector.
Una diferencia significativa entre las corrientes débiles introducidas por Fermi y las electromagnéticas es que cambian la carga de las partículas: un protón cargado positivamente se convierte en un neutrón neutro y un electrón cargado negativamente se convierte en un neutrino neutro. En este sentido, estas corrientes se denominan corrientes cargadas.
La teoría universal de la interacción débil, también llamada VA-A-teoría, fue propuesta en 1957 por M. Gell-Mann, R. Feynman, R. Marshak y J. Sudarshan. Esta teoría tuvo en cuenta el hecho recientemente comprobado de violación de la paridad ( PAG-simetría) con interacción débil. Para ello, las corrientes débiles se representaron como la suma de la corriente vectorial V y axial A(de ahí el nombre de la teoría).
Las corrientes vectoriales y axiales se comportan exactamente igual bajo las transformaciones de Lorentz. Sin embargo, durante la inversión espacial, su comportamiento es diferente: la corriente vectorial durante dicha transformación permanece sin cambios, pero la corriente axial cambia de signo, lo que conduce a una violación de la paridad. Además, las corrientes V Y A difieren en la llamada paridad de cargos (violan do-simetría).
De manera similar, la corriente hadrónica es la suma de las corrientes de quarks de todas las generaciones ( tu- superior, d- más bajo, do- encantado, s- extraño, t- verdadero, b- lindos quarks):
u ¯ ^ d ′ ^ + c ¯ ^ s ′ ^ + t ¯ ^ b ′ ^ .(\displaystyle (\hat (\overline (u)))(\hat (d^(\prime )))+(\hat (\overline (c)))(\hat (s^(\prime ))) +(\hat (\overline (t)))(\hat (b^(\prime ))).) Sin embargo, a diferencia de la corriente leptónica, aquí los operadores re ′ ^ , (\displaystyle (\hat (d^(\prime ))),) Y s ′ ^ (\displaystyle (\hat (s^(\prime )))) segundo ′ ^ (\displaystyle (\hat (b^(\prime )))) representar una combinación lineal de operadores re ^ , (\displaystyle (\hat (d)),) Y s ^ (\displaystyle (\sombrero (s))) segundo ^ , (\displaystyle (\hat (b)),) CP es decir, la corriente hadrónica contiene un total no de tres, sino de nueve términos. Estos términos se pueden combinar en una matriz de 3x3, llamada matriz Cabibbo - Kobayashi - Maskawa. Esta matriz se puede parametrizar con tres ángulos y un factor de fase. Este último caracteriza el grado de violación.
-invariancia en interacción débil.
Todos los términos de la corriente cargada son la suma de los operadores vectoriales y axiales con factores iguales a uno.Dónde L = G F 2 j w ^ j w † ^ , (\displaystyle (\mathcal (L))=(\frac (G_(F))(\sqrt (2)))(\hat (j_(w)))(\ sombrero (j_(w)^(\daga ))),) j w ^ (\displaystyle (\hat (j_(w)))) es el operador actual cargado, y j w † ^ (\displaystyle (\hat (j_(w)^(\dagger )))) - conjugado con él (obtenido reemplazando e ¯ ^ ν e ^ → ν e ¯ ^ e ^ , (\displaystyle (\hat (\overline (e)))(\hat (\nu _(e)))\rightarrow (\hat (\overline (\ nu_(e))))(\hat (e)),) u ¯ ^ d ^ → d ¯ ^ u ^ (\displaystyle (\hat (\overline (u)))(\hat (d))\rightarrow (\hat (\overline (d)))(\hat (u )))
Teoría de Weinberg-Salam EN forma moderna la interacción débil se describe como parte de una interacción electrodébil única en el marco de la teoría de Weinberg-Salam. Esta es una teoría cuántica de campos con un grupo calibre. S.U. (2)× Ud.
(1) y la simetría rota espontáneamente del estado de vacío causada por la acción del campo del bosón de Higgs. La prueba de la renormalizabilidad de dicho modelo realizada por Martinus Veltman y Gerard 't Hooft recibió el Premio Nobel de Física de 1999. PAG Y CP .
De esta forma, la teoría de la interacción débil está incluida en el Modelo Estándar moderno, y es la única interacción que rompe las simetrías. W. + , W.− y z 0 con masa distinta de cero y espín igual a 1. La masa de estos bosones es de aproximadamente 90 GeV / c², lo que determina el pequeño radio de acción de las fuerzas débiles.
Al mismo tiempo, bosones cargados. W.± son responsables de la interacción de corrientes cargadas y de la existencia de un bosón neutro. z 0 también significa la existencia de corrientes neutras. De hecho, estas corrientes se han descubierto experimentalmente. Un ejemplo de interacción entre ellos es, en particular, la dispersión elástica de un neutrino por un protón. En tales interacciones se conservan tanto la apariencia de las partículas como sus cargas.
Para describir la interacción de corrientes neutras, el lagrangiano debe complementarse con un término de la forma
L = GRAMO F ρ 2 2 f 0 ^ f 0 ^ , (\displaystyle (\mathcal (L))=(\frac (G_(F)\rho )(2(\sqrt (2))))(\hat ( f_(0)))(\hat (f_(0))),)donde ρ es un parámetro adimensional, igual a la unidad en la teoría estándar (experimentalmente difiere de la unidad en no más del 1%), f 0 ^ = ν e ¯ ^ ν e ^ + ⋯ + e ¯ ^ e ^ + ⋯ + u ¯ ^ u ^ + … (\displaystyle (\hat (f_(0)))=(\hat (\overline ( \nu _(e))))(\hat (\nu _(e)))+\dots +(\hat (\overline (e)))(\hat (e))+\dots +(\hat (\overline (u)))(\hat (u))+\dots )- operador de corriente neutro autoadjunto.
A diferencia de las corrientes cargadas, el operador de corriente neutra es diagonal, es decir, transfiere partículas a sí mismas y no a otros leptones o quarks. Cada uno de los términos del operador de corriente neutra es la suma de un operador vectorial con multiplicador y un operador axial con multiplicador I 3 − 2 Q pecado 2 θ w (\displaystyle I_(3)-2Q\sin ^(2)\theta _(w)), Dónde Yo 3 (\displaystyle Yo_(3))- la tercera proyección de los llamados débiles
