Фундаментальные взаимодействия в природе

К середине ХХ века экспериментальная база для проведения исследований микромира была в основном создана и начался планомерной “штурм” глубинной структуры вещества [42]. Результаты этого “штурма” оказались во многом неожиданными и привели к совершенно новому взгляду на природу материи.

Во-первых, почти сразу было обнаружено несколько сотен различных элементарных частиц, и число их продолжает расти. Это вызвало недоумение и даже разочарование ученых. Ведь трудно поверить, что Природа заложила в свой фундамент столь разнообразную первооснову. Возник вопрос: действительно ли обнаруженные частицы являются элементарными? Довольно скоро стало ясно, что число “истинно элементарных” частиц гораздо меньше.

Во-вторых, подавляющее большинство элементарных частиц являются нестабильными, их время жизни ничтожно мало. При этом во всех известных сегодня реакциях эти частицы лишь переходят друг в друга и никакие более простые “куски” от них не отщепляются. Но самое удивительное заключается в том, что при таких взаимных превращениях уже не имеют места привычные для нас представления о части и целом, о простом и сложном. Например, протон, испустив достаточно массивный положительно заряженный мезон, становится нейтроном, который при определенных условиях может испустить отрицательно заряженный мезон и в свою очередь превратиться в... протон. На первый взгляд это противоречит здравому смыслу, так как нейтрон массивнее протона и, следовательно, не может быть его частью. Кроме того, протон в этой реакции оказывается как бы частью самого себя. Однако, в микромире часть может оказаться не менее сложной и даже более массивной, чем целое. Это связано с тем, что говорить об отдельных частях любой системы можно только в том случае, когда связь этих частей друг с другом гораздо слабее, чем внутренняя связь самих частей. Например, в атомах и даже в атомных ядрах энергия связи отдельных компонентов (электронов и ядер - в атомах, нуклонов - в ядрах) значительно меньше, чем энергия покоя этих компонентов, и это позволяет нам говорить, что атом состоит из ядра и электронов, а атомное ядро - из нуклонов. В самих же нуклонах и других элементарных частицах энергия связи их “частей” сравнима или даже больше энергии покоя, так что “части” теряют свою индивидуальность, а утверждение о том, что какая-то частица состоит из других частиц становится весьма условным. Вообще идея механической делимости объектов в области микромира теряет смысл. Опыт показывает, что, являясь нестабильными, большинство элементарных частиц быстро распадается на несколько других, те в свою очередь также распадаются и конца этому процессу нет. Получается как бы единая крепко сплетенная сеть, где нет ни начала, ни конца и все частицы являются одновременно и элементарными, и сложными.

В-третьих, для объяснения поведения этих частиц известных к тому времени законов электромагнетизма и гравитации оказалось недостаточно и к ним пришлось добавить еще два специфических для микромира взаимодействия: сильное и слабое. Таким образом, в настоящее время известны четыре фундаментальных (т.е. не сводящихся друг к другу) взаимодействия, которые и определяют иерархию элементарных частиц. Рассмотрим эти взаимодействия в порядке уменьшения их «интенсивности».

Сильное взаимодействие имеет характер притяжения между большинством элементарных частиц, в частности, оно обеспечивает связь нуклонов (протонов и нейтронов) в атомных ядрах; проявляется только на очень малых расстояниях, сравнимых с размерами ядер (~ 10^{-13 см), т.е. является короткодействующим и на этих расстояниях существенно (более чем в сто раз) превосходит электромагнитное взаимодействие.}

Электромагнитное взаимодействие обусловливает связь заряженных частиц в атомах и молекулах; осуществляется на значительных расстояниях, описывается известными законами электричества и магнетизма.

Слабое взаимодействие проявляется при распаде некоторых квазистабильных элементарных частиц (например, при b-распаде нейтрона: n⁰ ® p⁺ + e^- +`n<sub>e</sub>, где p<sup>+</sup> - протон, е<sup>-</sup> - электрон, `n_е - электронное антинейтрино); осуществляется на очень малых расстояниях (~ 10^{-16 см); играет важную роль в термоядерных реакциях, поэтому активно участвует в эволюции звезд и других космических объектов.}

Наконец, гравитационное взаимодействие является самым универсальным, так как осуществляется между всеми материальными объектами; действует на очень больших расстояниях (как и электромагнитное), однако, в силу своей малости, играет несущественную роль в микромире вплоть до расстояний порядка 10^{-33 см (так называемая «планковская длина»). Ожидается, что на столь малых расстояниях гравитационное взаимодействие становится «равноправным» участником событий. С другой стороны, гравитация является основным фактором, определяющим поведение объектов мегамира.}

Все эти взаимодействия в масштабах микромира имеют по своей природе квантовый характер. Это означает, что в соответствии с современными представлениями, каждое из них осуществляется путем обмена квантами соответствующего поля. Например, кванты электромагнитного поля - фотоны - представляют собой дискретные «порции» с энергией Е, пропорциональной частоте колебаний этого поля: Е = h , где h - постоянная Планка. Такой подход к описанию взаимодействий фактически представляет собой диалектические единство концепций близкодействия и дальнодействия. Действительно, наличие «посредника», «переносчика» взаимодействия напоминает нам о концепции близкодействия. В то же время обмен дискретными порциями энергии фактически «реанимирует» идею дальнодействия, лишая ее, правда, гипотезы о мгновенной скорости передачи взаимодействия.