На переднем крае физики микромира

  Несмотря на то, что о феномене гравитации говорили еще в Древней Греции, а сам термин был введен  в науку Аристотелем, это взаимодействие до сих пор остается наименее изученным из  всех фундаментальных взаимодействий. До настоящего времени не создано полной и последовательной  теории тяготения. В этом отношении начало 21века  мало чем отличается от конца 17 века, когда Ньютон о феномене гравитации писал, что причину свойств тяготения до сих пор невозможно вывести из явлений. Довольно того, что тяготение на самом деле существует  и действует согласно изложенным законам и вполне достаточно для  объяснения движения всех небесных тел и моря.

  Классическая  теория гравитации обходит стороной вопрос о механизме передачи этого взаимодействия. В ОТО (общая теория относительности) передача гравитационного взаимодействия является весьма нетривиальной проблемой из-за отклонения геометрии пространства-времени, т.е в воздействии физической материи на свойства четырехмерного пространства –времени. В свою очередь видоизмененная метрика пространства-времени влияет на движение материи и другие физические процессы, в частности на ход течения времени. Согласно ОТО, гравитация порождается не только массой  или гравитационным зарядом, как это было в ньютоновской теории тяготения, но и всеми видами энергии. Считается, что гравитационное взаимодействие передается со скоростью света, имея в виду слабое поле тяготения, когда пространство-время близко к евклидову.

  Частицей-переносчиком гравитационного взаимодействия считается гипотетический гравитон - квант гравитационного поля, имеющий нулевую массу покоя, и спин, равный 2   , что отражает тензорный характер гравитационного взаимодействия в отличие от векторного характера электромагнитного взаимодействия, частицей-переносчиком которого является фотон, имеющий спин, равный 1  .Поскольку полагают, что гравитационное взаимодействие распространяется со скорость света, то гравитоны также должны распространяться со скоростью света.

  Описать механизм передачи гравитации с помощью одного гравитона не удается, поэтому с гравитацией связывают и другую частицу-переносчика – грави-фотон(спин 1   ).Слабость гравитационного взаимодействия делает невозможным экспериментальное обнаружение этих частиц в настоящее время. Предполагается, что гравии- фотон, возможно, является частицей-переносчиком антигравитации, т.е гравитационного отталкивания.

  Безразмерной константой гравитационного взаимодействия служит величина

 

 

 

 

 

 

 

   где G- постоянная тяготения Ньютона; m_n -масса нуклона;     -постоянная Планка; с-скорость света.

  В обычных природных процессах  и в лабораторных условиях гравитационное взаимодействие не проявляет свою квантовую природу, но в сильных гравитационных полях и вблизи сингулярностей, а так же на планковских масштабах r_Пл                     см(           ГэВ) должны быть сильны квантовые эффекты гравитации. На таких масштабах гравитация начинает доминировать над другими фундаментальными силами и существенно  влиять на изменение метрики пространства- времени приводить к его квантованию. Но сейчас пока не может быть и речи об экспериментах, подтверждающих квантовый характер гравитационного поля. Важнейшей задачей современной фундаментальной физики является включение гравитационного взаимодействия в общую объединительную схему всех фундаментальных сил.

  В заключение отметим одну важную деталь. Очень часто говорят как о хорошо известном факте, что скорость гравитационного взаимодействия  равно скорости света в вакууме с. Но абсолютным критерием в физике является эксперимент. Современными методами доказано: лишь с точностью  25% скорость гравитационного взаимодействия совпадает со скоростью света. Данный вывод был получен на основании проведенного 8 сентября 2002г. Измерения угла отклонения радиоизлучения далекого квазара в поле тяготения Юпитера, Поскольку этот угол зависит от скорости,  с которой гравитационное поле распространяется от Юпитера к Земле.

  Электромагнитное взаимодействие. Фундаментальное взаимодействие, возникающее  только между электрически заряженными частицами и телами. Это очень интенсивное взаимодействие, уступающее только сильному взаимодействию. Электромагнитные силы могут быть как силами притяжения (между разноименными зарядами), так и силами отталкивания (между одноименными зарядами). Радиус электромагнитного взаимодействия, подобно радиусу гравитационного, равен бесконечности, т.е это взаимодействие также имеет дальнодействующий характер. Частицей-переносчиком электромагнитного взаимодействия является безмассовый фотон - квант электромагнитного поля, распространяющийся в  вакууме со скоростью света. Спин фотона равен единице, что приводит к векторному характеру электромагнитного поля. На рисунке  приведена диаграмма Фейнмана для электромагнитного взаимодействия между частицами и путем обмена фотоном.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  Дальнодействие электромагнитных сил связывает с равенством нулю массы покоя фотона. В отличие от электрических, одиночных свободных магнитных зарядов(так называемых магнитных монополей) в природе не обнаружено, хотя их существование предсказывается некоторыми современными теориями(Теория Великого объединения и Вакуумные явления). Дальнодействие и значительная интенсивность делают электромагнитное взаимодействие самым распространенным в окружающей нас природе, а также самым широко используемым в современном быту и технике. Это наиболее изученное из всех фундаментальных взаимодействий. Трудно себе представить физический процесс или  природное явление, где бы ни участвовало электромагнитное явление.

   Кратко перечислим лишь основные сферы действия электромагнитных сил. Стабильность атомов обеспечивается электромагнитным взаимодействие ядер с электронами, а сами атомы могут соединяться в молекулы с образованием бесчисленного количества химических соединений и веществ. Подавляющее большинство природных макроскопических  сил и явлений сводится в электромагнитному взаимодействию. Это в первую очередь относится к силам трения, упругости, поверхностного натяжения, оптическим и химическим явлениям. Макроскопическая структура веществ, основные агрегатные состояния- твердое, жидкое, газообразное и плазменное – и фазовые переходы первого рода вызываются этим взаимодействием. Электромагнитную природу имеют процессы ионизации(эндотермический процесс образования ионов из нейтральных атомов или молекул),рекомбинации(процесс, обратный ионизации),давление света, фотоэффект и фотосинтез, фоторасщепление ядер и многие другие. К электромагнитному взаимодействию сводятся все механические и акустические колебания, в частности звук.

  Универсальность и уникальность электромагнитного взаимодействия состоит в том, что оно распределяется и зависит только от величины электрического заряда, который является строго сохраняющейся величиной. Интенсивность электромагнитной силы определяется элементарным электрическим зарядом, равным по абсолютной величине заряду электрона

Важнейшим свойством  электромагнитного взаимодействия  является  его локальность в пространстве и во времени, т.е оно действует в бесконечно малой области пространства и практически мгновенно. Это взаимодействие инвариантно по отношению к обращению  времени(Т-симметрия или инверсия).Т-симметрия означает, что для любого движения системы, обусловленного действием электромагнитного взаимодействия, может быть осуществлено обращенное во времени симметричное движение, при котором данная система проходит последовательно в обратном порядке состояния, симметричные состояниям, проходимым системой в прямом движении. Математически это означает, что замена параметра времени t на- t в уравнениях движения, описывающих электромагнитное взаимодействие, не меняет их вида.

  Важнейшим свойством электромагнитного взаимодействия и связанного с ним электромагнитного  поля является его калибровочная инвариантность, относящаяся к частному случаю внутренней  симметрии, для которой характерна двоякая роль электрического заряда; он является количественной мерой электромагнитного взаимодействия заряженных частиц и одновременно является аддитивной сохраняющейся величиной, характеризующей элементарные частицы. Безразмерной константой связи электромагнитного взаимодействия является так называемая постоянная тонкой структуры:

 

 

 

 

 

 где е- элементарный электрический заряд. Постоянная тонкой структуры а_е  является константой лишь при нулевом(или малом)квадрате переданного при взаимодействии импульса р². Но в силу поляризации вакуума а_е растет с ростом р²,а при очень большом, но конечном р² обращается в бесконечность.

  В настоящее время одним из основных направлений исследований в фундаментальной физике является исследование электромагнитного взаимодействия фотонов с входящими в состав адронов кварками, а также изучение электромагнитного взаимодействия кварков между собой наряду с их сильными и слабыми взаимодействиями.

  Слабое взаимодействие. Тип фундаментального взаимодействия, относящийся к внутриядерным силам, поскольку радиус его действия примерно 10^-16 см, а классический радиус нуклона примерно 10^-13см. Дальше этих масштабов слабые силы не действуют. Слабое взаимодействие в 100 000 раз слабее сильного  и в 730 раз слабее электромагнитного, но в 10³³ раз сильнее гравитационного. Частицами- переносчиками слабого взаимодействия являются векторные бозоны - сверхмассивные и электрозаряженные частицы W⁺, W^-, а также электронейтральный бозон Z⁰. Спин векторных бозонов равен 1, а их огромная масса(почти в 100раз тяжелее протона) делает это взаимодействие короткодействующим. Из-за огромной массы бозоны могут возникать при слабых взаимодействиях лишь виртуально на короткое время

Слабое взаимодействие с обменом Z⁰-бозоном называют взаимодействие нейтральных токов,а с бменом W⁺ - или W^- -бозоном- взаимодействие заряженных токов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Это взаимодействие протекает  со скоростью  примерно в 10¹¹ раз медленнее электромагнитного и примерно в 10¹⁴ раз медленнее сильного.

  В слабом взаимодействии  участвуют адроны и лептоны.  Это единственный тип взаимодействия, который разрушает микрочастицы, а вернее сказать, меняет их  тип,  превращая в другие микрочастицы. Например, при электронном    -распаде нейтрон под действием слабой силы разрушается, распадаясь на “осколки”- протон, электрон и антинейтрино. Но было бы принципиально неверно говорить о том, что нейтрон состоит из этих “осколков”. В этом состоит одно из специфических свойств слабого взаимодействия, резко отличающих его от других взаимодействий. Иначе говоря, слабое взаимодействие нарушает принцип временной обратимости, т.е при этом взаимодействии нарушается T-симметрия: из протона, электрона и антинейтрино невозможно опять “склеить” нейтрон.

  При слабом взаимодействии также нарушается пространственная, или зеркальная, Р-симметрия. Иначе говоря, всякий процесс с участием слабого взаимодействия протекает не с равной вероятностью по отношению к заркально-симметричному процессу. Например, при том же электронном   - распаде вероятность вылета электрона со спином, направленным против импульса, гораздо выше, чем с  сонаправленным импульсу. Кроме того, слабое взаимодействие нарушает еще и зарядовую С-симметрию, которая является симметрией относительно замены всех частиц на соответствующие им античастицы.  Нарушение С-симметрии при слабом взаимодействии приводит к тому, что если между какими-либо частицами протекает некоторый процесс, то аналогичный процесс не может протекать с одинаковой вероятностью между их античастицами. Например, в процессе распада антимюона

                                                                    вылет позитронов происходит  преимущественно по направлению  спина, но в процессе с соответствующими  античастицами                                                           электроны вылетают против направления спина.

  Слабое взаимодействие  обладает еще одним уникальным  свойством, которое было обнаружено  в 1959 году Л.Д.Ландау и независимо  Ц.Ли и Ч. Янгом. Нарушая по  отдельности С- и Р-симметрии, оно сохраняет комбинированную СР-симметрию, под которой подразумевается одновременная замена всех частиц на соответствующие им античастицы вместе с зеркальным пространственным отражением процесса. Это приводит к тому, что процессы с участием слабого взаимодействия для частиц происходят аналогично зеркальному изображению процессов с участием соответствующих им античастиц. Например, вероятность распада     в реакции                                                                     с вылетом позитрона под углом   к спину    точно равна вероятности вылета электрона под углом    к спину    при его распаде в реакции     

  Кроме нарушения  С-,Р-,Т-симметрий слабое взаимодействие  нарушает еще и целый ряд  запретов, которым подчиняются сильное  и электромагнитное взаимодействие. В результате  слабые силы превращают заряженные лептоны в нейтрино, а также изменяют внутренние характеристики адронов путем перевода одного типа “аромата” кварка в другой. Это и приводит к нестабильности мюонов,    мезонов и других частиц, распадающихся под действием слабого взаимодействия. Несмотря на чрезвычайно короткодействующий характер и сравнительно более низкую интенсивность слабого взаимодействия по сравнению с сильным  и электромагнитным, оно играет исключительно важную роль в природных процессах.

  Реакции, в которых  ключевую роль играет слабое  взаимодействие, являются основным  источником энергии Солнца и  других подобных ему звезд.  Эволюция звезд определяется  реакциями с испусканием нейтрино, происходящими под действием  слабых сил, что обеспечивает эффективный отток энергии из внутренних областей звезд и Солнца. Благодаря особым свойствам слабого взаимодействия термоядерные реакции внутри Солнца протекают ровно и спокойно, не нося взрывной характер. За явление   -радиоактивности также отвечает слабое взаимодействие. На конечных стадиях эволюции звезд большую роль играют процессы с участием слабых сил, приводящие к гравитационному коллапсу центральных частей массивных звезд. Это приводит к вспышкам сверхновых звезд с последующим образованием нейтронных звезд и черных дыр.

  Безразмерной константой  слабого взаимодействия служит  величина

 

 

 

 

 

 

 где  G_F=1,4 * 10^-56 Дж * см³ – константа Ферми; m_p – масса протона. Константа слабого взаимодействия очень мало зависит от квадрата переданного при взаимодействии импульса.

  Слабое взаимодействие  с энергией 100 ГэВ(с радиусом действия 10^-16см) объединяется с электромагнитным, образуя единое электрослабое взаимодействие.

  Сильное взаимодействие. Самое интенсивное из всех четырех фундаментальных взаимодействий, сохраняющее свое преимущество в интенсивности вплоть до планковских масштабов(примерно 10^-33 см),на которых начинает доминировать гравитация. В сильном взаимодействии участвуют только адроны.. Оно выступает исключительно в качестве сил притяжения, скрепляя адроны между собой. Частицей-переносчиком сильного взаимодействия служит безмассовый глюон, спин которого равен 1. в современной теории сильного взаимодействия предполагается существование восьми видов глюонов, которыми обмениваются кварки при сильном взаимодействии. Радиус действия примерно 10^-13 см, т.е взаимодействие короткодействующее, внутриядерно. Первоначально сильному взаимодействию отводилась роль силы, скрепляющей нуклоны в атомных ядрах.