Jest to trzecia fundamentalna interakcja, która istnieje tylko w mikrokosmosie. Odpowiada za przemianę niektórych cząstek fermionowych w inne, podczas gdy kolor słabo oddziałujących peptonów i kwarków nie ulega zmianie. Typowym przykładem słabego oddziaływania jest proces rozpadu beta, podczas którego wolny neutron rozpada się na proton, elektron i antyneutrino elektronowe w ciągu średnio 15 minut. Rozpad jest spowodowany przekształceniem kwarku smakowego d w kwark smakowy u wewnątrz neutronu. Emitowany elektron zapewnia zachowanie całkowitego ładunku elektrycznego, a antyneutrino pozwala na zachowanie całkowitego mechanicznego pędu układu.

Silna interakcja

Główną funkcją oddziaływania silnego jest łączenie kwarków i antykwarków w hadrony. Teoria oddziaływań silnych jest w trakcie tworzenia. Jest to typowa teoria pola i nazywa się chromodynamiką kwantową. Jej wyjściową pozycją jest postulat istnienia trzech rodzajów ładunków kolorowych (czerwony, niebieski, zielony), wyrażających tkwiącą w materii zdolność łączenia kwarków w oddziaływanie silne. Każdy z kwarków zawiera pewną kombinację takich ładunków, ale ich pełna wzajemna kompensacja nie występuje, a kwark ma wynikowy kolor, to znaczy zachowuje zdolność do silnych oddziaływań z innymi kwarkami. Ale kiedy trzy kwarki lub kwark i antykwark łączą się, tworząc hadron, całkowita kombinacja ładunków kolorowych w nim jest taka, że ​​hadron jako całość jest neutralny kolorystycznie. Ładunki kolorowe tworzą pola z ich nieodłącznymi kwantami - bozonami. Wymiana wirtualnych bozonów barwnych między kwarkami i (lub) antykwarkami stanowi materialną podstawę oddziaływania silnego. Przed odkryciem kwarków i interakcji kolorów oddziaływanie jądrowe uważano za fundamentalne, łączące protony i neutrony w jądrach atomów. Wraz z odkryciem kwarkowego poziomu materii, oddziaływanie silne zaczęło być rozumiane jako oddziaływania barwne między kwarkami, które łączą się w hadrony. Siły jądrowe nie są już uważane za fundamentalne, muszą być w jakiś sposób wyrażone poprzez siły barwne. Nie jest to jednak łatwe, ponieważ bariony (protony i neutrony) tworzące jądro są generalnie neutralne kolorystycznie. Przez analogię możemy przypomnieć, że atomy jako całość są elektrycznie obojętne, ale na poziomie molekularnym pojawiają się siły chemiczne, które są uważane za echa elektrycznych sił atomowych.

Rozważane cztery typy oddziaływań fundamentalnych leżą u podstaw wszystkich innych znanych form ruchu materii, także tych, które powstały na najwyższych etapach rozwoju. Wszelkie złożone formy ruchu rozłożone na elementy strukturalne są uważane za złożone modyfikacje tych podstawowych interakcji.

2. Rozwój poglądów naukowych na wzajemne oddziaływanie cząstek przed ewolucyjnym stworzeniem teorii „Wielkiego Zjednoczenia”

Teoria Wielkiej Zunifikowanej to teoria, która łączy oddziaływania elektromagnetyczne, silne i słabe. Wspominając teorię „Wielkiego Zjednoczenia”, dochodzi do tego, że wszystkie siły występujące w przyrodzie są przejawem jednej uniwersalnej siły fundamentalnej. Istnieje szereg rozważań, które dają powody, by sądzić, że w momencie Wielkiego Wybuchu, który dał początek naszemu wszechświatowi, istniała tylko ta siła. Jednak z biegiem czasu wszechświat rozszerzył się, co oznacza, że ​​ostygł, a pojedyncza siła podzieliła się na kilka różnych, które teraz obserwujemy. Teoria „Wielkiego Zjednoczenia” powinna opisywać siły elektromagnetyczne, silne, słabe i grawitacyjne jako przejaw jednej uniwersalnej siły. Jest już pewien postęp: naukowcom udało się zbudować teorię, która łączy oddziaływania elektromagnetyczne i słabe. Jednak główne prace nad teorią „Wielkiego Zjednoczenia” dopiero przed nami.

Współczesna fizyka cząstek jest zmuszona do omawiania kwestii, które w rzeczywistości niepokoiły nawet starożytnych myślicieli. Jakie jest pochodzenie cząstek i atomów chemicznych zbudowanych z tych cząstek? I jak Kosmos, Wszechświat, który widzimy, może być zbudowany z cząstek, bez względu na to, jak je nazwiemy? I jeszcze jedno – czy Wszechświat został stworzony, czy istniał od wieczności? Jeśli to jest właściwe pytanie, jakie sposoby myślenia mogą prowadzić do przekonujących odpowiedzi? Wszystkie te pytania są podobne do poszukiwania prawdziwych zasad bytu, pytania o naturę tych zasad.

Cokolwiek powiemy o Kosmosie, jedno jest jasne, że wszystko w świecie przyrody składa się w jakiś sposób z cząstek. Ale jak należy rozumieć tę kompozycję? Wiadomo, że cząstki oddziałują - przyciągają się lub odpychają. Fizyka cząstek bada różne interakcje. [Popper K. O źródłach wiedzy i ignorancji // Vopr. historia przyrodoznawstwa i techniki, 1992, nr 3, s. 32.]

Oddziaływanie elektromagnetyczne przyciągnęło szczególną uwagę w XVIII-XIX wieku. Stwierdzono podobieństwa i różnice między oddziaływaniami elektromagnetycznymi i grawitacyjnymi. Podobnie jak grawitacja, siły oddziaływania elektromagnetycznego są odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości. Ale w przeciwieństwie do grawitacji, „grawitacja” elektromagnetyczna nie tylko przyciąga cząstki (o różnym znaku ładunku), ale także odpycha je od siebie (cząstki o równym ładunku). I nie wszystkie cząstki są nośnikami ładunku elektrycznego. Na przykład foton i neutron są pod tym względem neutralne. W latach 50. XIX wieku. teoria elektromagnetyczna D. C. Maxwella (1831-1879) zunifikowała zjawiska elektryczne i magnetyczne, a tym samym wyjaśniła działanie sił elektromagnetycznych. [Grunbaum A. Geneza a stworzenie w kosmologii fizycznej (teologiczne zniekształcenia współczesnej kosmologii fizycznej). - Q. filozofia, 1995, nr 2, s. 19.]

Badanie zjawisk promieniotwórczych doprowadziło do odkrycia szczególnego rodzaju oddziaływania między cząstkami, które nazwano oddziaływaniem słabym. Ponieważ odkrycie to jest związane z badaniem radioaktywności beta, można tę interakcję nazwać rozpadem beta. Jednak w literaturze fizycznej zwyczajowo mówi się o oddziaływaniu słabym - jest ono słabsze niż oddziaływanie elektromagnetyczne, chociaż jest znacznie silniejsze niż oddziaływanie grawitacyjne. Odkrycie to ułatwiły badania W. Pauliego (1900–1958), który przewidział, że podczas rozpadu beta pojawia się obojętna cząstka, kompensująca pozorne naruszenie prawa zachowania energii, zwanego neutrinem. A poza tym badania E. Fermiego (1901–1954) przyczyniły się do odkrycia oddziaływań słabych, który wraz z innymi fizykami sugerował, że elektrony i neutrina nie istnieją w jądrze, że tak powiem, w postaci skończonej, wcześniej opuszczają radioaktywne jądro, ale powstają podczas procesu promieniowania. [Grunbaum A. Geneza a stworzenie w kosmologii fizycznej (teologiczne zniekształcenia współczesnej kosmologii fizycznej). - Q. filozofia, 1995, nr 2, s. 21.]

Wreszcie czwarta interakcja okazała się związana z procesami wewnątrzjądrowymi. Nazywane oddziaływaniem silnym, objawia się przyciąganiem cząstek wewnątrzjądrowych - protonów i neutronów. Ze względu na duże rozmiary okazuje się źródłem ogromnej energii.

Badanie czterech rodzajów interakcji podążało ścieżką poszukiwania ich głębokiego związku. Na tej niejasnej, w dużej mierze niejasnej ścieżce, tylko zasada symetrii kierowała śledztwem i doprowadziła do identyfikacji domniemanego związku. różne rodzaje interakcje.

Aby ujawnić takie powiązania, trzeba było zwrócić się do poszukiwania specjalnego rodzaju symetrii. Prosty przykład Ten rodzaj symetrii może być zależnością pracy wykonanej przy podnoszeniu ładunku od wysokości podnośnika. Zużyta energia zależy od różnicy wysokości, ale nie zależy od charakteru ścieżki wznoszenia. Jedynie różnica wysokości jest znaczna i nie ma żadnego znaczenia, od jakiego poziomu zaczynamy pomiar. Można powiedzieć, że mamy tu do czynienia z symetrią wyboru punktu odniesienia.

Podobnie można obliczyć energię ruchu ładunku elektrycznego w polu elektrycznym. Analogiem wysokości jest tutaj napięcie pola lub, w przeciwnym razie, potencjał elektryczny. Energia wydatkowana podczas ruchu ładunku będzie zależeć tylko od różnicy potencjałów między punktem końcowym i początkowym w przestrzeni pola. Mamy tu do czynienia z tzw. cechowaniem, czyli symetrią skali. Symetria miernika, o której mowa pole elektryczne, jest ściśle związany z prawem zachowania ładunku elektrycznego.

Najważniejszym narzędziem, które daje możliwość rozwiązania wielu trudności w teorii cząstek elementarnych oraz w licznych próbach unifikacji różnych typów oddziaływań, okazała się symetria cechowania. Na przykład w elektrodynamice kwantowej powstają różne rozbieżności. Te rozbieżności można wyeliminować, ponieważ tak zwana procedura renormalizacji, która eliminuje trudności teorii, jest ściśle związana z symetrią cechowania. Wydaje się, że trudności w konstrukcji teorii nie tylko elektromagnetycznych, ale i innych oddziaływań można przezwyciężyć, jeśli uda się znaleźć inne, ukryte symetrie.

Symetria skrajni może przybrać charakter uogólniony i może być powiązana z dowolnym polem siłowym. Pod koniec lat 60. S. Weinberg (ur. 1933) z Uniwersytetu Harvarda i A. Salam (ur. 1926) z Imperial College London, opierając się na pracy S. Glashowa (ur. 1932), podjęli się teoretycznej unifikacji oddziaływań elektromagnetycznych i słabych. Wykorzystali ideę symetrii miernika i związaną z tym ideą koncepcję pola cechowania. [Yakushev A. S. Podstawowe koncepcje współczesnych nauk przyrodniczych. - M., Fakt-M, 2001, s. 29.]

Dotyczy interakcji elektromagnetycznych najprostsza forma symetria miernika. Okazało się, że symetria oddziaływania słabego jest bardziej skomplikowana niż elektromagnetyczna. Ta złożoność wynika ze złożoności samego procesu, by tak rzec, mechanizmu słabej interakcji.

Na przykład w procesie słabej interakcji dochodzi do rozpadu neutronu. W procesie tym mogą brać udział takie cząstki jak neutron, proton, elektron i neutrino. Ponadto ze względu na oddziaływanie słabe następuje wzajemne przekształcenie cząstek.

Postanowienia koncepcyjne teorii „Wielkiego Zjednoczenia”

We współczesnej fizyce teoretycznej ton nadają dwa nowe schematy pojęciowe: tak zwana teoria „Grand Unified” i supersymetria.

Te naukowe kierunki razem prowadzą do bardzo atrakcyjnej idei, zgodnie z którą cała przyroda jest ostatecznie poddana działaniu jakiejś supermocy, która przejawia się w różnych „osobach”. Ta siła jest wystarczająco potężna, aby stworzyć nasz Wszechświat i obdarzyć go światłem, energią, materią i strukturą. Ale supermoc to coś więcej niż tylko twórcza zasada. W nim materia, czasoprzestrzeń i interakcja łączą się w nierozerwalną harmonijną całość, tworząc taką jedność Wszechświata, jakiej nikt wcześniej nie wyobrażał. Celem nauki jest zasadniczo poszukiwanie takiej jedności. [Ovchinnikov N. F. Struktura i symetria // Badania systemowe, M., 1969, s. 137.]

Na tej podstawie istnieje pewna pewność ujednolicenia wszystkich zjawisk przyrody ożywionej i nieożywionej w ramach jednego schematu opisowego. Do tej pory znane są cztery oddziaływania fundamentalne lub cztery siły występujące w przyrodzie, odpowiedzialne za wszystkie znane oddziaływania cząstek elementarnych - oddziaływania silne, słabe, elektromagnetyczne i grawitacyjne. Oddziaływania silne wiążą kwarki. Słabe oddziaływania są odpowiedzialne za niektóre rodzaje rozpadów jądrowych. Siły elektromagnetyczne działają między ładunkami elektrycznymi, a siły grawitacyjne działają między masami. Obecność tych interakcji jest warunkiem wystarczającym i koniecznym do budowy otaczającego nas świata. Na przykład bez grawitacji nie tylko nie byłoby galaktyk, gwiazd i planet, ale i Wszechświat nie mógłby powstać - wszakże oparte są same koncepcje rozszerzającego się Wszechświata i Wielkiego Wybuchu, z których wywodzi się czasoprzestrzeń grawitacji. Bez oddziaływań elektromagnetycznych nie byłoby atomów, chemii ani biologii, ani ciepła i światła słonecznego. Bez silnych oddziaływań jądrowych jądro nie istniałoby, a w konsekwencji atomy i molekuły, chemia i biologia, gwiazdy i Słońce nie mogłyby generować ciepła i światła dzięki energii jądrowej.

Nawet słabe siły jądrowe odgrywają rolę w tworzeniu się wszechświata. Bez nich reakcje jądrowe na Słońcu i gwiazdach byłyby niemożliwe, najwyraźniej nie doszłoby do wybuchów supernowych, a ciężkie pierwiastki niezbędne do życia nie mogłyby rozprzestrzeniać się we Wszechświecie. Życie może równie dobrze nie istnieć. Jeśli zgodzimy się z opinią, że wszystkie te cztery zupełnie różne oddziaływania, z których każda jest na swój sposób niezbędna do powstania złożonych struktur i determinujących ewolucję całego Wszechświata, generowane są przez jedną prostą supersiłę, to zaistnienie jedno podstawowe prawo, które działa zarówno w życiu, jak i w przyroda nieożywiona, nie ma wątpliwości. Współczesne badania pokazują, że kiedyś te cztery siły można było połączyć w jedną.

Było to możliwe przy ogromnych energiach charakterystycznych dla ery wczesnego wszechświata krótko po Wielkim Wybuchu. Rzeczywiście, teoria unifikacji oddziaływań elektromagnetycznych i słabych została już potwierdzona eksperymentalnie. Teorie „Wielkiego Zjednoczenia” powinny łączyć te interakcje z silnymi, a teorie „Wszystko, co jest” powinny opisywać wszystkie cztery fundamentalne interakcje w ujednolicony sposób jako przejawy jednej interakcji. Historia termiczna Wszechświata, począwszy od 10–43 sek. po Wielkim Wybuchu do dnia dzisiejszego pokazuje, że większość helu-4, helu-3, deuteronów (jąder deuteru - ciężkiego izotopu wodoru) i litu-7 utworzyła się we Wszechświecie około 1 minuty po Wielkim Wybuchu. Huk.

Cięższe pierwiastki pojawiły się wewnątrz gwiazd dziesiątki milionów lub miliardy lat później, a pojawienie się życia odpowiada końcowemu etapowi ewolucji wszechświata. Na podstawie przeprowadzonej analizy teoretycznej oraz wyników symulacji komputerowej układów dyssypatywnych działających daleko od równowagi, w warunkach działania przepływu o częstotliwości kodowej o niskiej energii, doszliśmy do wniosku, że we Wszechświecie zachodzą dwa równoległe procesy - entropia i informacje. Co więcej, entropijny proces przemiany materii w promieniowanie nie jest dominujący. [Teoria „Wielkiego Zjednoczenia” Soldatowa WK. - M., Postscriptum, 2000, s. 38.]

W tych warunkach powstaje nowy typ ewolucyjnej samoorganizacji materii, łączący spójne zachowanie czasoprzestrzenne systemu z dynamicznymi procesami w samym systemie. Wówczas w skali Wszechświata prawo to zostanie sformułowane następująco: „Jeśli Wielki Wybuch doprowadził do powstania 4 oddziaływań fundamentalnych, to dalsza ewolucja organizacji czasoprzestrzennej Wszechświata wiąże się z ich unifikacją. " Zatem naszym zdaniem prawo wzrostu entropii musi być stosowane nie do poszczególnych części Wszechświata, ale do całego procesu jego ewolucji. W momencie powstania Wszechświat okazał się skwantowany zgodnie z poziomami czasoprzestrzennymi hierarchii, z których każdy odpowiada jednemu z podstawowych oddziaływań. Wynikająca z tego fluktuacja, postrzegana jako rozszerzający się obraz Wszechświata, w pewnym momencie przywraca jego równowagę. Proces dalszej ewolucji odbywa się w lustrzanym odbiciu.

Innymi słowy, w obserwowalnym wszechświecie jednocześnie zachodzą dwa procesy. Jeden proces - antyentropia - wiąże się z przywróceniem zaburzonej równowagi, poprzez samoorganizację materii i promieniowania w stany makrokwantowe (jako przykład fizyczny można przytoczyć tak znane stany materii jak nadciekłość, nadprzewodnictwo i stan kwantowy). efekt Halla). Proces ten najwyraźniej determinuje spójną ewolucję procesów syntezy termojądrowej w gwiazdach, tworzenie układów planetarnych, minerałów, flory, organizmów jednokomórkowych i wielokomórkowych. To automatycznie podąża za samoorganizującą się orientacją trzeciej zasady postępującej ewolucji żywych organizmów.

Inny proces ma charakter czysto entropiczny i opisuje procesy cyklicznego ewolucyjnego przejścia materii samoorganizującej się (rozpad - samoorganizacja). Możliwe, że te zasady mogą służyć jako podstawa do stworzenia aparatu matematycznego, który pozwala połączyć wszystkie cztery interakcje w jedno supermocarstwo. Jak już wspomniano, właśnie tym problemem zajmuje się obecnie większość fizyków teoretycznych. Dalsza argumentacja tej zasady wykracza daleko poza zakres tego artykułu i wiąże się z konstrukcją teorii Ewolucyjnej Samoorganizacji Wszechświata. Dlatego wyciągnijmy główny wniosek i zobaczmy, jak ma to zastosowanie do układów biologicznych, zasad ich kontroli, a co najważniejsze, do nowych technologii leczenia i profilaktyki stanów patologicznych organizmu. Przede wszystkim interesują nas zasady i mechanizmy utrzymywania samoorganizacji i ewolucji organizmów żywych, a także przyczyny ich naruszeń, przejawiające się w postaci różnych patologii.

Pierwszym z nich jest zasada kontroli częstotliwości kodowej, której głównym celem jest utrzymywanie, synchronizowanie i kontrolowanie przepływów energii w dowolnym otwartym samoorganizującym się systemie dyssypacyjnym. Realizacja tej zasady dla organizmów żywych wymaga obecności na każdym strukturalnym poziomie hierarchicznym obiektu biologicznego (molekularnego, subkomórkowego, komórkowego, tkankowego, organoidalnego, organizmowego, populacyjnego, biocenotycznego, biotycznego, krajobrazowego, biosferycznego, kosmicznego) obecności biorytmologicznego proces związany ze zużyciem i zużyciem energii transformowalnej, który determinuje aktywność i kolejność procesów w systemie. Mechanizm ten zajmuje centralne miejsce we wczesnych stadiach powstawania życia w tworzeniu struktury DNA i zasadzie reduplikacji dyskretnych kodów informacji dziedzicznej, a także w takich procesach jak podział komórek i późniejsze różnicowanie. Jak wiadomo, proces podziału komórki zawsze przebiega w ściśle określonej kolejności: profaza, metafaza, telofaza, a następnie anafaza. Można naruszać warunki podziału, zapobiegać mu, a nawet usuwać jądro, ale kolejność zawsze będzie zachowana. Bez wątpienia nasz organizm wyposażony jest w najdoskonalsze synchronizatory: układ nerwowy wrażliwy na najmniejsze zmiany środowiska zewnętrznego i wewnętrznego, wolniejszy układ humoralny. W tym samym czasie infusoria-but, przy całkowitym braku układu nerwowego i humoralnego, żyje, odżywia, wydala, rozmnaża się, a wszystkie te złożone procesy nie przebiegają losowo, ale w ścisłej kolejności: każda reakcja determinuje następną, a to z kolei przydziela produkty potrzebne do rozpoczęcia kolejnej reakcji. [Teoria „Wielkiego Zjednoczenia” Soldatowa WK. - M., Postscriptum, 2000, s. 59.]

Należy zauważyć, że nawet teoria Einsteina oznaczała tak istotny postęp w zrozumieniu przyrody, że wkrótce rewizja poglądów na inne siły przyrody stała się nieunikniona. W tym czasie jedyną „inną” siłą, której istnienie zostało mocno ustalone, była siła elektromagnetyczna. Jednak na zewnątrz w ogóle nie wyglądało to na grawitację. Co więcej, kilka dekad przed stworzeniem teorii grawitacji Einsteina, teoria Maxwella z powodzeniem opisywała elektromagnetyzm i nie było powodu, aby wątpić w słuszność tej teorii.

Przez całe życie Einstein marzył o stworzeniu zunifikowanej teorii pola, w której wszystkie siły natury połączą się ze sobą w oparciu o czystą geometrię. Einstein poświęcił większość swojego życia na poszukiwanie takiego schematu po stworzeniu ogólnej teorii względności. Jednak, jak na ironię, najbliższy realizacji marzenia Einsteina był mało znany polski fizyk Theodor Kaluza, który już w 1921 roku położył podwaliny pod nowe i nieoczekiwane podejście do unifikacji fizyki, która wciąż poraża wyobraźnię swoją śmiałością. .

Wraz z odkryciem oddziaływań słabych i silnych w latach 30. XX wieku idee zjednoczenia grawitacji i elektromagnetyzmu w dużej mierze straciły na atrakcyjności. Spójna zunifikowana teoria pola miała obejmować nie dwie, ale cztery siły. Oczywiście nie można tego zrobić bez głębokiego zrozumienia słabych i silnych interakcji. Pod koniec lat siedemdziesiątych, dzięki powiewowi świeżego powietrza przyniesionego przez teorie Grand Unified Theories (GUT) i supergrawitację, przypomniano sobie starą teorię Kaluzy-Kleina. Została „odkurzona, ubrana w modę” i uwzględniła w niej wszystkie znane dziś interakcje.

Na PG teoretykom udało się zebrać trzy bardzo różne typy interakcji w ramach jednego pojęcia; Wynika to z faktu, że wszystkie trzy interakcje można opisać za pomocą pól cechowania. Główną właściwością pól cechowania jest istnienie abstrakcyjnych symetrii, dzięki czemu podejście to nabiera elegancji i otwiera szerokie możliwości. Obecność symetrii pola sił zdecydowanie wskazuje na przejaw jakiejś ukrytej geometrii. W przywróconej teorii Kaluzy-Kleina konkretyzują się symetrie pól cechowania - są to symetrie geometryczne związane z dodatkowymi wymiarami przestrzeni.

Podobnie jak w wersji oryginalnej, do teorii wprowadza się interakcje poprzez dodanie do czasoprzestrzeni dodatkowych wymiarów przestrzennych. Ponieważ jednak musimy teraz uwzględniać trzy rodzaje interakcji, musimy wprowadzić kilka dodatkowych wymiarów. Proste zliczenie liczby operacji symetrii zaangażowanych w PG prowadzi do teorii z siedmioma dodatkowymi wymiarami przestrzennymi (tak, że ich łączna liczba dochodzi do dziesięciu); jeśli wziąć pod uwagę czas, to cała czasoprzestrzeń ma jedenaście wymiarów. [Teoria „Wielkiego Zjednoczenia” Soldatowa WK. - M., Postscriptum, 2000, s. 69.]

Główne zapisy teorii „Wielkiego Zjednoczenia” z punktu widzenia fizyki kwantowej

W fizyce kwantowej każda skala długości jest powiązana ze skalą energii (lub równoważnej masy). Im mniejsza jest badana skala długości, tym wyższa energia jest do tego potrzebna. Do zbadania struktury kwarkowej protonu potrzebne są energie odpowiadające co najmniej dziesięciokrotnej masie protonu. Dużo wyżej w skali energetycznej jest masa odpowiadająca Wielkiemu Zjednoczeniu. Jeśli kiedykolwiek uda nam się osiągnąć tak ogromną masę (energię), od której jesteśmy dziś bardzo daleko, to będzie można badać świat cząstek X, w którym zaciera się rozróżnienie między kwarkami i leptonami.

Jaka energia jest potrzebna, aby przeniknąć „wewnątrz” 7-sfery i zbadać dodatkowe wymiary przestrzeni? Zgodnie z teorią Kaluzy-Kleina wymagane jest przekroczenie skali Wielkiego Zjednoczenia i osiągnięcie energii równoważnych 10 19 masom protonów. Tylko przy tak niewyobrażalnie ogromnych energiach możliwe byłoby bezpośrednie obserwowanie przejawów dodatkowych wymiarów przestrzeni.

Ta ogromna wartość - 10 19 mas protonów - nazywana jest masą Plancka, ponieważ po raz pierwszy wprowadził ją Max Planck, twórca teorii kwantowej. Przy energii odpowiadającej masie Plancka wszystkie cztery oddziaływania w przyrodzie połączyłyby się w jedną supersiłę, a dziesięć wymiarów przestrzennych byłoby całkowicie równych. Gdyby można było skoncentrować wystarczającą ilość energii, „zapewniając osiągnięcie masy Plancka, wówczas pełny wymiar przestrzeni przejawiłby się w całej swojej okazałości. [Yakushev A. S. Podstawowe pojęcia współczesnej nauki przyrodniczej. - M., Fakt -M, 2001, s. 122. ]

Dając upust wyobraźni można sobie wyobrazić, że pewnego dnia ludzkość opanuje supermocarstwo. Gdyby tak się stało, uzyskalibyśmy władzę nad naturą, ponieważ supermoc ostatecznie daje początek wszystkim interakcjom i wszystkim obiektom fizycznym; w tym sensie jest to podstawowa zasada wszystkich rzeczy. Po opanowaniu supermocarstwa mogliśmy zmieniać strukturę przestrzeni i czasu, naginać pustkę na swój własny sposób i porządkować materię. Kontrolując supermocarstwo, mogliśmy dowolnie tworzyć lub przekształcać cząstki, generując nowe egzotyczne formy materii. Moglibyśmy nawet manipulować wymiarowością samej przestrzeni, tworząc dziwaczne sztuczne światy o niewyobrażalnych właściwościach. Naprawdę bylibyśmy mistrzami wszechświata!

Ale jak można to osiągnąć? Przede wszystkim potrzebujesz wystarczającej ilości energii. Aby dać wyobrażenie o czym mówimy, przypomnijmy, że akcelerator liniowy w Stanford o długości 3 km przyspiesza elektrony do energii równoważnej 20 masom protonów. Aby osiągnąć energię Plancka, akcelerator musiałby zostać wydłużony 10 18 razy, co czyniłoby go wielkości Drogi Mlecznej (około stu tysięcy lat świetlnych). Taki projekt nie należy do tych, które można zrealizować w dającej się przewidzieć przyszłości. [Wheeler J.A. Quantum and Universe // Astrofizyka, kwanty i teoria względności, M., 1982, s. 276.]

W Wielkiej Teorii Jednolitej istnieją trzy różne progi lub skale energii. Przede wszystkim jest to próg Weinberga-Salama, odpowiadający prawie 90 masom protonów, powyżej którego oddziaływania elektromagnetyczne i słabe łączą się w jedno elektrosłabe. Druga skala, odpowiadająca 10 14 masom protonów, jest charakterystyczna dla Wielkiej Unifikacji i opartej na niej nowej fizyki. Wreszcie skala ostateczna, masa Plancka, odpowiadająca 10 19 masom protonów, odpowiada całkowitej unifikacji wszystkich oddziaływań, w wyniku której świat jest zdumiewająco uproszczony. Jednym z największych nierozwiązanych problemów jest wyjaśnienie istnienia tych trzech skal, a także przyczyny tak silnej różnicy między pierwszą a drugą z nich. [Teoria „Wielkiego Zjednoczenia” Soldatowa WK. - M., Postscriptum, 2000, s. 76.]

Nowoczesna technologia jest w stanie osiągnąć tylko pierwszą skalę. Rozpad protonu mógłby dać nam pośredni sposób badania świata fizycznego w skali Wielkiego Zjednoczenia, chociaż obecnie wydaje się, że nie ma nadziei na bezpośrednie osiągnięcie tej granicy, nie mówiąc już o skali masy Plancka.

Czy to oznacza, że ​​nigdy nie będziemy w stanie zaobserwować przejawów pierwotnego supermocarstwa i niewidzialnych siedmiu wymiarów przestrzeni. Używając takich środków technicznych, jak nadprzewodzący superzderzacz, szybko pniemy się w górę skali energii osiągalnej w warunkach ziemskich. Jednak technologia stworzona przez ludzi bynajmniej nie wyczerpuje wszystkich możliwości - istnieje sama natura. Wszechświat to gigantyczne naturalne laboratorium, w którym 18 miliardów lat temu „przeprowadzono” największy eksperyment z dziedziny fizyki cząstek elementarnych. Ten eksperyment nazywamy Wielkim Wybuchem. Jak omówimy później, to początkowe wydarzenie wystarczyło, by uwolnić – choć na bardzo krótką chwilę – supermocarstwo. Jednak to najwyraźniej wystarczyło, aby upiorne istnienie supermocarstwa na zawsze pozostawiło swój ślad. [Yakushev A. S. Podstawowe koncepcje współczesnych nauk przyrodniczych. - M., Fakt-M, 2001, s. 165.]

W 1896 roku francuski naukowiec Henri Becquerel odkrył radioaktywność uranu. Był to pierwszy eksperymentalny sygnał o nieznanych wcześniej siłach natury - oddziaływaniu słabym. Teraz wiemy, że siła słaba stoi za wieloma znanymi nam zjawiskami – na przykład bierze udział w niektórych reakcjach termojądrowych, które wspierają promieniowanie Słońca i innych gwiazd.

Nazwa „słaba” trafiła do tej interakcji z powodu nieporozumienia - na przykład dla protonu jest 1033 razy silniejszy oddziaływanie grawitacyjne(patrz Grawitacja, Jedność sił natury). Jest to raczej destrukcyjna interakcja, jedyna siła natury, która nie spaja materii, a jedynie ją niszczy. Można ją również nazwać „bez zasad”, ponieważ w destrukcji nie uwzględnia zasad parzystości przestrzennej i czasowej odwracalności, które obserwują inne siły.

Podstawowe właściwości oddziaływań słabych poznano już w latach 30. XX wieku, głównie dzięki pracy włoskiego fizyka E. Fermiego. Okazało się, że w przeciwieństwie do sił grawitacyjnych i elektrycznych, siły słabe mają bardzo mały promień działania. W tamtych latach wydawało się, że w ogóle nie ma promienia działania - interakcja odbywa się w jednym punkcie w przestrzeni, a ponadto natychmiast. Ta interakcja jest wirtualna Krótki czas) zamienia każdy proton jądra w neutron, pozyton w pozyton i neutrino, a każdy neutron w proton, elektron i antyneutrino. W stabilnych jądrach (patrz jądro atomowe) te przekształcenia pozostają wirtualne, podobnie jak wirtualna produkcja par elektron-pozyton lub par proton-antyproton w próżni. Jeśli różnica mas jąder różniących się ładunkiem o jeden jest wystarczająco duża, te wirtualne transformacje stają się rzeczywiste, a jądro zmienia swój ładunek o 1, wyrzucając elektron i antyneutrino (rozpad β elektronu) lub pozyton i neutrino (rozpad β pozytonów). Neutrony mają masę o około 1 MeV większą niż suma mas protonu i fali elektrycznej. Dlatego wolny neutron rozpada się na proton, elektron i antyneutrino z uwolnieniem energii około 1 MeV. Czas życia wolnego neutronu wynosi około 10 minut, chociaż w stanie związanym, na przykład w deuteronie, który składa się z neutronu i protonu, cząstki te żyją w nieskończoność.

Podobne zdarzenie ma miejsce z mionem (patrz Leptony) - rozpada się na elektron, neutrino i antyneutrino. Przed rozpadem mion żyje około 10 -6 s - znacznie krócej niż neutron. Teoria Fermiego tłumaczyła to różnicą mas zaangażowanych cząstek. Im więcej energii uwalnia się podczas rozpadu, tym szybciej się dzieje. Energia uwalniana podczas rozpadu μ wynosi około 100 MeV, około 100 razy większa niż podczas rozpadu neutronów. Czas życia cząstki jest odwrotnie proporcjonalny do piątej potęgi tej energii.

Jak się okazało w ostatnich dziesięcioleciach, oddziaływanie słabe jest nielokalne, tj. nie występuje natychmiast i nie w jednym punkcie. Według współczesnej teorii oddziaływanie słabe nie jest przekazywane natychmiast, a wirtualna para elektron-antyneutrino rodzi się 10 -26 s po przejściu mionu w neutrino, a dzieje się to w odległości 10-16 cm Ani jednej linijki, oczywiście żaden mikroskop nie jest w stanie zmierzyć tak małej odległości, podobnie jak żaden stoper nie może zmierzyć tak małego odstępu czasu. Jak prawie zawsze, we współczesnej fizyce musimy zadowolić się poszlakami. Fizycy budują różne hipotezy dotyczące mechanizmu procesu i testują wszystkie możliwe konsekwencje tych hipotez. Te hipotezy, które zaprzeczają przynajmniej jednemu wiarygodnemu eksperymentowi, są odrzucane na bok, a nowe eksperymenty mają zweryfikować pozostałe. Proces ten w przypadku oddziaływania słabego trwał około 40 lat, dopóki fizycy nie doszli do wniosku, że oddziaływanie słabe niosą cząstki supermasywne - 100 razy cięższe od protonu. Cząstki te mają spin 1 i nazywane są bozonami wektorowymi (odkryte w 1983 r. w CERN, Szwajcaria - Francja).

Istnieją dwa naładowane bozony wektorowe W + , W - i jeden neutralny Z 0 (ikona na górze, jak zwykle, wskazuje ładunek w jednostkach protonowych). Naładowany bozon wektorowy W - "działa" w rozpadach neutronu i mionu. Przebieg rozpadu mionów przedstawiono na ryc. (powyżej, po prawej). Takie rysunki nazywane są diagramami Feynmana, nie tylko ilustrują proces, ale także pomagają go obliczyć. Jest to rodzaj skróconego wzoru na prawdopodobieństwo reakcji; użyto go tutaj wyłącznie w celach ilustracyjnych.

Mion zamienia się w neutrino, emitując bozon W, który rozpada się na elektron i antyneutrino. Uwolniona energia nie wystarcza na prawdziwe narodziny bozonu W, więc rodzi się on wirtualnie, tj. przez bardzo krótki czas. W ta sprawa to jest 10 -26 s. W tym czasie pole odpowiadające bozonowi W nie ma czasu na uformowanie fali lub w inny sposób rzeczywistej cząstki (patrz Pola i cząstki). Powstaje wiązka pola o wielkości 10 -16 cm, z której po 10 -26 s rodzi się elektron i antyneutrino.

Dla rozpadu neutronu można by narysować ten sam schemat, ale tutaj już by nas zmylił. Faktem jest, że rozmiar neutronu wynosi 10 -13 cm, czyli 1000 razy większy niż promień działania słabe siły. Dlatego siły te działają wewnątrz neutronu, w którym znajdują się kwarki. Jeden z trzech kwarków neutronu emituje bozon W, przechodząc do innego kwarka. Ładunki kwarków w neutronie wynoszą -1/3, -1/3 i +2/3, tak że jeden z dwóch kwarków o ładunku ujemnym -1/3 przechodzi w kwark o ładunku dodatnim + 2/3. Rezultatem będą kwarki o ładunkach -1/3, 2/3, 2/3, które razem tworzą proton. Produkty reakcji - elektron i antyneutrino - swobodnie wylatują z protonu. Ale mimo wszystko kwark, który wyemitował bozon W, został odrzucony i zaczął się wkraczać przeciwny kierunek. Dlaczego nie lata?

Jest utrzymywany przez silną siłę. Ta interakcja przeciągnie jego dwa nierozłączne satelity za kwarkiem, powodując poruszający się proton. Rozpady słabe (związane z oddziaływaniem słabym) pozostałych hadronów zachodzą według podobnego schematu. Wszystkie z nich sprowadzają się do emisji bozonu wektorowego przez jeden z kwarków, przejścia tego bozonu wektorowego w leptony (cząstki μ-, e-, τ- i ν-) oraz dalszej ekspansji produktów reakcji.

Czasami jednak zdarzają się również rozpady hadronowe: bozon wektorowy może rozpaść się na parę kwark-antykwark, która zamieni się w mezony.

Więc, duża liczba różne reakcje sprowadzają się do interakcji kwarków i leptonów z bozonami wektorowymi. To oddziaływanie jest uniwersalne, to znaczy takie samo dla kwarków i leptonów. Powszechność oddziaływania słabego, w przeciwieństwie do powszechności oddziaływania grawitacyjnego lub elektromagnetycznego, nie doczekała się jeszcze wyczerpującego wyjaśnienia. We współczesnych teoriach oddziaływanie słabe łączy się z oddziaływaniem elektromagnetycznym (patrz Jedność Sił Natury).

Dla łamania symetrii przez oddziaływanie słabe, patrz Parity, Neutrino. Artykuł Jedność sił natury opowiada o miejscu sił słabych w obrazie mikroświata.

W 1896 roku francuski naukowiec Henri Becquerel odkrył radioaktywność uranu. Był to pierwszy eksperymentalny sygnał o nieznanych wcześniej siłach natury - oddziaływaniu słabym. Teraz wiemy, że siła słaba stoi za wieloma znanymi nam zjawiskami – na przykład bierze udział w niektórych reakcjach termojądrowych, które wspierają promieniowanie Słońca i innych gwiazd.

Nazwę „słabą” nadano temu oddziaływaniu z powodu nieporozumienia - na przykład dla protonu jest on 1033 razy silniejszy niż oddziaływanie grawitacyjne (patrz Grawitacja, Jedność tego rodzaju). Jest to raczej destrukcyjna interakcja, jedyna siła natury, która nie spaja materii, a jedynie ją niszczy. Można ją również nazwać „bez zasad”, ponieważ w destrukcji nie uwzględnia zasad parzystości przestrzennej i czasowej odwracalności, które obserwują inne siły.

Podstawowe właściwości oddziaływań słabych poznano już w latach 30. XX wieku, głównie dzięki pracy włoskiego fizyka E. Fermiego. Okazało się, że w przeciwieństwie do sił grawitacyjnych i elektrycznych, siły słabe mają bardzo mały promień działania. W tamtych latach wydawało się, że w ogóle nie ma promienia działania - interakcja odbywa się w jednym punkcie w przestrzeni, a ponadto natychmiast. To oddziaływanie praktycznie (na krótki czas) zamienia każdy proton jądra w neutron, pozyton w pozyton i neutrino, a każdy neutron w proton, elektron i antyneutrino. W stabilnych jądrach (patrz jądro atomowe) te przekształcenia pozostają wirtualne, podobnie jak wirtualna produkcja par elektron-pozyton lub par proton-antyproton w próżni.

Jeśli różnica mas jąder różniących się ładunkiem o jeden jest wystarczająco duża, te wirtualne transformacje stają się rzeczywiste, a jądro zmienia swój ładunek o 1, wyrzucając elektron i antyneutrino (rozpad elektronu) lub pozyton i neutrino (rozpad pozytonów). Neutrony mają masę o około 1 MeV większą niż suma mas protonu i elektronu. Dlatego wolny neutron rozpada się na proton, elektron i antyneutrino z uwolnieniem energii około 1 MeV. Czas życia wolnego neutronu wynosi około 10 minut, chociaż w stanie związanym, na przykład w deuteronie, który składa się z neutronu i protonu, cząstki te żyją w nieskończoność.

Podobne zdarzenie ma miejsce z mionem (patrz Peptony) - rozpada się on na elektron, neutrino i antyneutrino. Przed rozpadem mion żyje około c – znacznie mniej niż neutron. Teoria Fermiego tłumaczyła to różnicą mas zaangażowanych cząstek. Im więcej energii uwalnia się podczas rozpadu, tym szybciej się dzieje. Uwolnienie energii podczas rozpadu wynosi około 100 MeV, około 100 razy większe niż podczas rozpadu neutronu. Czas życia cząstki jest odwrotnie proporcjonalny do piątej potęgi tej energii.

Jak się okazało w ostatnich dziesięcioleciach, oddziaływanie słabe jest nielokalne, tj. nie występuje natychmiast i nie w jednym punkcie. Według współczesnej teorii oddziaływanie słabe nie jest przekazywane natychmiast, a wirtualna para elektron-antyneutrino rodzi się w c po przejściu mionu w neutrino, a dzieje się to w odległości cm. Ani jednej linijki, ani jednego mikroskopu, oczywiście może mierzyć tak małą odległość, tak jak żaden stoper nie może zmierzyć tak małego odstępu czasu. Jak prawie zawsze, we współczesnej fizyce musimy zadowolić się poszlakami. Fizycy budują różne hipotezy dotyczące mechanizmu procesu i testują wszystkie możliwe konsekwencje tych hipotez. Te hipotezy, które zaprzeczają przynajmniej jednemu wiarygodnemu eksperymentowi, są odrzucane na bok, a nowe eksperymenty mają zweryfikować pozostałe. Proces ten w przypadku oddziaływania słabego trwał około 40 lat, dopóki fizycy nie doszli do wniosku, że oddziaływanie słabe niosą cząstki supermasywne - 100 razy cięższe od protonu. Cząstki te mają spin 1 i nazywane są bozonami wektorowymi (odkryte w 1983 r. w CERN, Szwajcaria - Francja).

Istnieją dwa naładowane bozony wektorowe i jeden neutralny (ikona na górze, jak zwykle, wskazuje ładunek w jednostkach protonowych). Naładowany bozon wektorowy „działa” w rozpadach neutronu i mionu. Przebieg rozpadu mionów przedstawiono na ryc. (powyżej, po prawej). Takie rysunki nazywane są diagramami Feynmana, nie tylko ilustrują proces, ale także pomagają go obliczyć. Jest to rodzaj skróconego wzoru na prawdopodobieństwo reakcji; użyto go tutaj wyłącznie w celach ilustracyjnych.

Mion przekształca się w neutrino, emitując bozon -, który rozpada się na elektron i antyneutrino. Uwolniona energia nie wystarcza do rzeczywistej produkcji bozonu -, więc rodzi się on wirtualnie, czyli przez bardzo krótki czas. W tym przypadku jest to s. W tym czasie pole odpowiadające bozonowi - nie ma czasu na uformowanie fali lub w inny sposób rzeczywistej cząstki (patrz Pola i cząstki). Powstaje wiązka pola wielkości cm, z której po c rodzi się elektron i antyneutrino.

Dla rozpadu neutronu można by narysować ten sam schemat, ale tutaj już by nas zmylił. Faktem jest, że rozmiar neutronu wynosi cm, czyli 1000 razy więcej niż zasięg sił słabych. Dlatego siły te działają wewnątrz neutronu, w którym znajdują się kwarki. Jeden z trzech kwarków neutronu emituje bozon -, przechodząc do innego kwarka. Ładunki kwarków w neutronie: -1/3, - 1/3 i tak jeden z dwóch kwarków o ładunku ujemnym -1/3 przechodzi w kwark o ładunku dodatnim. Rezultatem będą kwarki z ładunkami - 1/3, 2/3, 2/3, które razem tworzą proton. Produkty reakcji - elektron i antyneutrino - swobodnie wylatują z protonu. Ale to kwark, który emitował bozon -. otrzymał informację zwrotną i zaczął iść w przeciwnym kierunku. Dlaczego nie lata?

Jest utrzymywany przez silną siłę. Ta interakcja przeciągnie jego dwa nierozłączne satelity za kwarkiem, powodując poruszający się proton. Rozpady słabe (związane z oddziaływaniem słabym) pozostałych hadronów zachodzą według podobnego schematu. Wszystkie one sprowadzają się do emisji bozonu wektorowego przez jeden z kwarków, przejścia tego bozonu wektorowego w leptony (i -cząstki) oraz dalszej ekspansji produktów reakcji.

Czasami jednak zdarzają się również rozpady hadronowe: bozon wektorowy może rozpaść się na parę kwark-antykwark, która zamieni się w mezony.

Tak więc wiele różnych reakcji sprowadza się do interakcji kwarków i leptonów z bozonami wektorowymi. To oddziaływanie jest uniwersalne, to znaczy takie samo dla kwarków i leptonów. Powszechność oddziaływania słabego, w przeciwieństwie do powszechności oddziaływania grawitacyjnego lub elektromagnetycznego, nie doczekała się jeszcze wyczerpującego wyjaśnienia. We współczesnych teoriach oddziaływanie słabe łączy się z oddziaływaniem elektromagnetycznym (patrz Jedność Sił Natury).

Dla łamania symetrii przez oddziaływanie słabe, patrz Parity, Neutrino. Artykuł Jedność sił natury opowiada o miejscu sił słabych w obrazie mikroświata

Słaba interakcja

Oddziaływanie to jest najsłabszym z oddziaływań fundamentalnych obserwowanych eksperymentalnie w rozpadach cząstek elementarnych, gdzie efekty kwantowe mają fundamentalne znaczenie. Przypomnijmy, że nigdy nie zaobserwowano kwantowych przejawów oddziaływania grawitacyjnego. Oddziaływanie słabe wyróżnia się następna zasada: jeśli cząstka elementarna, zwana neutrinem (lub antyneutrinem), uczestniczy w procesie oddziaływania, to oddziaływanie to jest słabe.

Oddziaływanie słabe jest znacznie intensywniejsze niż oddziaływanie grawitacyjne.

Oddziaływanie słabe, w przeciwieństwie do grawitacyjnego, jest krótkozasięgowe. Oznacza to, że słabe oddziaływanie między cząstkami wchodzi w grę tylko wtedy, gdy cząstki są wystarczająco blisko siebie. Jeśli odległość między cząstkami przekracza pewną wartość, zwaną charakterystycznym promieniem oddziaływania, oddziaływanie słabe nie ujawnia się. Ustalono eksperymentalnie, że charakterystyczny promień oddziaływania słabego rzędu 10-15 cm, czyli oddziaływania słabego, jest skoncentrowany na odległościach mniejsze rozmiary jądro atomowe.

Dlaczego możemy mówić o oddziaływaniu słabym jako o niezależnej formie oddziaływań fundamentalnych? Odpowiedź jest prosta. Ustalono, że zachodzą procesy przemian cząstek elementarnych, których nie można sprowadzić do oddziaływań grawitacyjnych, elektromagnetycznych i silnych. Dobry przykład, pokazujący, że w zjawiskach jądrowych występują trzy jakościowo różne interakcje, jest związany z radioaktywnością. Eksperymenty wskazują na obecność trzech różnego rodzaju promieniotwórczość: rozpady promieniotwórcze a-, b i g. W tym przypadku rozpad a wynika z oddziaływania silnego, rozpad g - elektromagnetyczny. Pozostałego rozpadu b nie da się wytłumaczyć oddziaływaniami elektromagnetycznymi i silnymi i jesteśmy zmuszeni zaakceptować, że istnieje jeszcze inne oddziaływanie podstawowe zwane oddziaływaniem słabym. W ogólnym przypadku potrzeba wprowadzenia oddziaływania słabego wynika z faktu, że w przyrodzie zachodzą procesy, w których rozpady elektromagnetyczne i silne są zakazane przez prawa zachowania.

Chociaż oddziaływanie słabe jest zasadniczo skoncentrowane wewnątrz jądra, ma pewne przejawy makroskopowe. Jak już zauważyliśmy, wiąże się to z procesem radioaktywności b. Ponadto oddziaływanie słabe odgrywa ważną rolę w tzw. reakcjach termojądrowych odpowiedzialnych za mechanizm uwalniania energii w gwiazdach.

Najbardziej zadziwiającą właściwością oddziaływania słabego jest istnienie procesów, w których przejawia się asymetria lustrzana. Na pierwszy rzut oka wydaje się oczywiste, że różnica między pojęciami lewicy i prawicy jest arbitralna. Rzeczywiście, procesy oddziaływań grawitacyjnych, elektromagnetycznych i silnych są niezmienne względem inwersji przestrzennej, która realizuje odbicie lustrzane. Mówi się, że w takich procesach zachowywany jest parzystość przestrzenna P. Jednak eksperymentalnie ustalono, że słabe procesy mogą przebiegać z niezachowaniem parzystości przestrzennej, a zatem wydają się odczuwać różnicę między lewą a prawą stroną. Obecnie istnieją solidne dowody doświadczalne, że brak zachowania parzystości w oddziaływaniach słabych ma charakter uniwersalny i przejawia się nie tylko w rozpadach cząstek elementarnych, ale także w zjawiskach jądrowych, a nawet atomowych. Należy uznać, że asymetria lustrzana jest właściwością Natury na najbardziej podstawowym poziomie.

Wszystkie naładowane ciała, wszystkie naładowane cząstki elementarne uczestniczą w oddziaływaniu elektromagnetycznym. W tym sensie jest dość uniwersalny. Klasyczna teoria oddziaływania elektromagnetycznego to elektrodynamika Maxwella. Jako stałą sprzężenia przyjmuje się ładunek elektronu e.

Jeśli weźmiemy pod uwagę dwa odpoczynki opłata punktowa q1 i q2, to ich oddziaływanie elektromagnetyczne zostanie zredukowane do znanej siły elektrostatycznej. Oznacza to, że oddziaływanie ma duży zasięg i powoli maleje wraz ze wzrostem odległości między ładunkami. Naładowana cząstka emituje foton, przez co zmienia się stan jej ruchu. Inna cząsteczka pochłania ten foton, a także zmienia stan swojego ruchu. W rezultacie cząstki wydają się odczuwać swoją obecność. Jak powszechnie wiadomo ładunek elektryczny jest wartością wymiarową. Wygodnie jest wprowadzić bezwymiarową stałą sprzężenia oddziaływania elektromagnetycznego. Aby to zrobić, musimy użyć stałych podstawowych i c. W rezultacie otrzymujemy następującą bezwymiarową stałą sprzężenia, zwaną in fizyka atomowa stała struktura drobnoziarnista

Łatwo zauważyć, że ta stała znacznie przewyższa stałe oddziaływań grawitacyjnych i słabych.

Z nowoczesnego punktu widzenia oddziaływania elektromagnetyczne i słabe są różne imprezy zunifikowane oddziaływanie elektrosłabe. Stworzono zunifikowaną teorię oddziaływań elektrosłabych - teorię Weinberga-Salama-Glashowa, która wyjaśnia ze zunifikowanego stanowiska wszystkie aspekty oddziaływań elektromagnetycznych i słabych. Czy można zrozumieć na poziomie jakościowym, jak zunifikowana interakcja dzieli się na oddzielne, jakby to było, niezależne interakcje?

Dopóki energie charakterystyczne są wystarczająco małe, oddziaływania elektromagnetyczne i słabe są rozdzielone i nie wpływają na siebie. Wraz ze wzrostem energii zaczyna się ich wzajemne oddziaływanie, a przy odpowiednio wysokich energiach oddziaływania te łączą się w jedno oddziaływanie elektrosłabe. Charakterystyczną energię unifikacji szacuje się na 102 GeV (GeV jest skrótem od gigaelektronowolta, 1 GeV = 109 eV, 1 eV = 1,6 10-12 erg = 1,6 1019 J). Dla porównania zauważamy, że charakterystyczna energia elektronu w stanie podstawowym atomu wodoru wynosi około 10-8 GeV, charakterystyczna energia wiązania jądra atomowego wynosi około 10-2 GeV, charakterystyczna energia wiązania ciało stałe około 10-10 GeV. Tak więc energia charakterystyczna unifikacji oddziaływań elektromagnetycznych i słabych jest ogromna w porównaniu z energiami charakterystycznymi w fizyce atomowej i jądrowej. Z tego powodu oddziaływania elektromagnetyczne i słabe nie przejawiają wspólnej istoty w zwykłych zjawiskach fizycznych.

Silna interakcja

Oddziaływanie silne odpowiada za stabilność jąder atomowych. Ponieważ jądra atomowe większości pierwiastki chemiczne stabilne, jasne jest, że interakcja, która zapobiega ich rozpadowi, musi być wystarczająco silna. Powszechnie wiadomo, że jądra składają się z protonów i neutronów. Aby zapobiec rozpraszaniu dodatnio naładowanych protonów w różne strony, konieczne jest istnienie między nimi sił przyciągania, które przekraczają siły odpychania elektrostatycznego. To silna interakcja jest odpowiedzialna za te siły przyciągania.

Cechą charakterystyczną oddziaływania silnego jest jego niezależność podopieczna. Siły przyciągania jądrowego między protonami, między neutronami i między protonem a neutronem są zasadniczo takie same. Z tego wynika, że ​​z punktu widzenia oddziaływań silnych proton i neutron są nie do odróżnienia i używa się dla nich pojedynczego terminu nukleon, czyli cząstki jądra.

Tak więc dokonaliśmy przeglądu podstawowych informacji dotyczących czterech fundamentalnych interakcji z Naturą. Opisano pokrótce mikroskopijne i makroskopowe przejawy tych oddziaływań oraz obraz zjawisk fizycznych, w których odgrywają one ważną rolę.