Фундаментальные взаимодействия

Различные по масштабам связанные физические системы, на­пример ядра, представляющие совокупность нуклонов, атомы - совокупность ядра и электронов, молекулы - совокупность ато­мов, макросистемы, звездные системы и т.п., существуют как единое целое благодаря так называемой энергии взаимодействия составляющих систему элементов. Основополагающий принцип, определяющий форму существования и простейших, и самых сложных систем в Природе, состоит в том, что свободная система принимает состояние с минимальной энергией - наиболее веро­ятное из всех возможных. Этот принцип можно проследить на всех иерархических уровнях. Например, нуклоны в атомном ядре «упакованы» в состояние с наименьшей массой, т.е. с наимень­шей энергией; у предоставленного самому себе невозбужденного атома электроны занимают наинисшие энергетические уровни (с учетом принципа Паули).

Типы взаимодействия. В настоящее время считается, что уст­ройство Природы может быть в принципе объяснено с помощью взаимодействия относительно небольшого набора так называемых элементарных частиц (см. ниже). Выделяют четыре типа взаимо­действий, к которым сводится любое взаимодействие любых объектов. Это гравитационное, электромагнитное, сильное и сла­бое взаимодействия. Напомним, что электромагнитная концепция мироздания ограничивалась первыми двумя из них.

Гравитационное взаимодействие свойственно всем объектам Вселенной. Оно проявляется в виде сил всемирного тяготения и обусловливает существование астрономических объектов и эволю­цию Вселенной как целого. В микромире гравитационное взаимо­действие не играет заметной роли.

В электромагнитном взаимодействии участвуют только элек­трически заряженные частицы и фотоны. Им обусловлены связи в атомах, молекулах, макротелах. Огромное большинство макро­скопических свойств, вещества имеет электромагнитную природу.

Сильное (ядерное) взаимодействие «отвечает» за стабильность атомных ядер, удерживая протоны вместе вопреки кулоновским силам отталкивания. В нем участвуют элементарные частицы, называемые адронами.

Слабое взаимодействие присуще всем частицам, кроме фото­нов. Оно не удерживает вместе какие-либо частицы, однако ответственно за некоторые реакции ядерного распада, включая реакции, обеспечивающие выделение солнечной энергии.

Указанные взаимодействия различаются по интенсивности и радиусу действия. В табл. 5.1 интенсивность сильного взаимо­действия принята за единицу. Таким образом, упрощенно можно считать, что сильное и слабое взаимодействия имеют определя­ющее значение для микрообъектов, электромагнитное — для макрообъектов и гравитационное - для мегамира. Преобладающий тип взаимодействия для характерных размеров объектов Природы показан на рис. 5.1

Таблица 5.1.

Механизм взаимодействий. В классической физике считается, что взаимодействие осуществляется через поле. Под физическим полем понимается особая форма материи, связывающая частицы вещества в единые системы и передающая с конечной скоростью действие одних частиц на другие. С этой точки зрения, например, электромагнитное взаимодействие заряженных частиц, заклю­чается в том, что заряд возбуждает электромагнитное поле в окружающем пространстве, которое распространяется со ско­ростью с и оказывает воздействие на все окружающие заряды. В квантовой физике на место классического возбуждения поля ставится возникновение соответствующего кванта поля. Для электромагнитного поля таким квантом является виртуальный фотон. При этом взаимодействие между зарядами трактуется как обмен виртуальными фотонами. Наглядно обменную модель электромагнитного взаимодействия можно представить так: вок­руг заряженной частицы постоянно существует «облако» вирту­альных фотонов, которые непрерывно испускаются и поглоща­ются данной частицей. Взаимодействие проявляется при обмене такими фотонами. Вероятность испускания и поглощения фотона какой-либо заряженной частицей определяется электрическим зарядом частицы, который таким образом служит мерой интен­сивности электромагнитного взаимодействия. С удалением от частицы “облако” виртуальных фотонов ослабевает, что приводит к ослаблению поля, уменьшению силы взаимодействия между зарядами.

Рассмотренный обменный механизм справедлив и для других фундаментальных взаимодействий. Для каждой из них характерна своя частица-переносчик.

Переносчиками сильного взаимодействия являются глюоны. В качестве меры интенсивности сильного взаимодействия высту­пает качество, названное цветом (цветовым зарядом). Глюонами обмениваются кварки, в результате чего последние «склеиваются» в адроны. В свою очередь адроны, входящие в состав атомных ядер (т.е. нуклоны), взаимодействуют посредством обмена π-мезонами. Благодаря этому ядра большинства элементов стабильны.

Для слабого взаимодействия переносчиками являются проме­жуточные бозоны, для гравитационного - как полагают, гравито­ны. Интенсивность взаимодействия зависит от времени, необходимого для обмена частицей-переносчиком, и от расстояния, на котором такой обмен может осуществляться. Время и расстояние, в свою очередь, связаны со свойствами частицы, переносящей взаимодействие. Частицы-переносчики взаимодействий относятся к фундаментальным частицам. Все они являются виртуальными и принципиально необнаружимы.

О единой теории взаимодействий. Выявление общности обмен­ного механизма всех взаимодействий стимулировало попытки свести четыре типа взаимодействий к одному всеобщему и универсальному. Такая попытка удалась в отношении электромагнит­ного и слабого взаимодействий, сведенных к электрослабому взаимодействию. Ведется работа по объединению электрослабого и сильного взаимодействий в электроядерное. Соответствующая теория предполагает, что на очень малых расстояниях и при высоких энергиях слабое, электромагнитное и сильное взаимо­действия проявляют себя как единая сила.

Предпринимаются попытки объединения описания всех четы­рех типов взаимодействий («расширенная супергравитация», ве­ликое объединение).