Фундаментальные взаимодействия

     В настоящее время существует квантовая  теория сильного взаимодействия, получившая название квантовой хромодинамики. Согласно этой теории, переносчиками  сильного взаимодействия являются элементарные частицы - глюоны. По современным представлениям частицы, участвующие в сильном взаимодействии и называемые адронами, состоят из элементарных частиц - кварков.

     Кварки  представляют собой фермионы со спином 1/2 и ненулевой массой. Наиболее удивительным свойством кварков является их дробный  электрический заряд. Кварки формируются  в три пары (три поколения дублетов), обозначаемые следующим образом:

     Каждый  тип кварка принято называть ароматом, так что существуют шесть кварковых  ароматов. При этом u-, c-, t-кварки имеют  электрический заряд 2/3|e| , а d-, s-, b-кварки - электрический заряд -1/3|e|, где e - заряд  электрона. Кроме того, существуют три  кварка данного аромата. Они отличаются квантовым числом, называемым цветом и принимающим три значения: желтый, синий, красный. Каждому кварку соответствует  антикварк, имеющий по отношению  к данному кварку противоположный  электрический заряд и так  называемый антицвет: антижелтый, антисиний, антикрасный. Принимая во внимание число  ароматов и цветов, мы видим, что  всего существуют 36 кварков и  антикварков.

     Кварки  взаимодействуют друг с другом посредством  обмена восемью глюонами, которые  представляют собой безмассовые  бозоны со спином 1. В процессе взаимодействия цвета кварков могут изменяться. При этом сильное взаимодействие условно изображается следующим  образом:

     Кварк, входящий в состав адрона, испускает  глюон, в силу чего состояние движения адрона изменяется. Этот глюон поглощается  кварком, входящим в состав другого  адрона, и меняет состояние его  движения. В результате возникает  взаимовоздействие адронов друг на друга.

     Природа устроена так, что взаимодействие кварков  всегда ведет к образованию бесцветных связанных состояний, которые как  раз и являются адронами. Например, протон и нейтрон составлены из трех кварков: p = uud, n = udd. Пион составлен из кварка u и антикварка :  = u . Отличительная черта кварк-кваркового взаимодействия через глюоны состоит в том, что с уменьшением расстояния между кварками их взаимодействие ослабляется. Это явление получило название асимптотической свободы и ведет к тому, что внутри адронов кварки можно рассматривать как свободные частицы. Асимптотическая свобода естественным образом вытекает из квантовой хромодинамики. Имеются экспериментальные и теоретические указания на то, что с ростом расстояния взаимодействие между кварками должно возрастать, в силу чего кваркам энергетически выгодно находиться внутри адрона. Это означает, что мы можем наблюдать только бесцветные объекты - адроны. Одиночные кварки и глюоны, обладающие цветом, не могут существовать в свободном состоянии. Явление удержания элементарных частиц, обладающих цветом, внутри адронов получило название конфайнмента. Для объяснения конфайнмента предлагались различные модели, однако последовательное описание, вытекающее из первых принципов теории, до сих пор не построено. С качественной точки зрения трудности связаны с тем, что, обладая цветом, глюоны взаимодействуют со всеми цветными объектами, в том числе и друг с другом. По этой причине квантовая хромодинамика является существенно нелинейной теорией и приближенные методы исследования, принятые в квантовой электродинамике и электрослабой теории, оказываются не вполне адекватными в теории сильных взаимодействий.

Тенденции объединения взаимодействий

     Мы  видим, что на квантовом уровне все  фундаментальные взаимодействия проявляют  себя одинаковым образом. Элементарная частица вещества испускает элементарную частицу - переносчик взаимодействия, которая поглощается другой элементарной частицей вещества. Это ведет к взаимовлиянию частиц вещества друг на друга.

     Безразмерная  константа связи сильного взаимодействия может быть построена по аналогии с постоянной тонкой структуры в  виде g²/( c) 10. Если сравнить безразмерные константы связи, то легко заметить, что самым слабым является гравитационное взаимодействие, а затем располагаются слабое, электромагнитное и сильное.

     Если  принять во внимание уже развитую объединенную теорию электрослабых  взаимодействий, называемую сейчас стандартной, и следовать тенденции объединения, то возникает проблема построения единой теории электрослабого и сильного взаимодействий. В настоящее время созданы  модели такой единой теории, получившие название модели великого объединения. Все эти модели имеют много  общих моментов, в частности характерная  энергия объединения оказывается  порядка 1015 ГэВ, что значительно  превосходит характерную энергию  объединения электромагнитных и  слабых взаимодействий. Отсюда вытекает, что прямое экспериментальное исследование великого объединения выглядит проблематичным даже в достаточно отдаленном будущем. Для сравнения отметим, что наибольшая энергия, достижимая на современных  ускорителях, не превышает 10³ ГэВ. Поэтому если и будут получены какие-либо экспериментальные данные относительно великого объединения, то они могут носить только косвенный характер. В частности, модели великого объединения предсказывают распад протона и существование магнитного монополя большой массы. Экспериментальное подтверждение этих предсказаний было бы грандиозным триумфом тенденций объединения.

     Общая картина разделения единого великого взаимодействия на отдельные сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия выглядит следующим образом. При  энергиях порядка 10¹⁵ ГэВ и выше существует единое взаимодействие. Когда энергия становится ниже 10¹⁵ ГэВ, сильное и электрослабое взаимодействия отделяются друг от друга и представляются как различные фундаментальные взаимодействия. При дальнейшем уменьшении энергии ниже 10² ГэВ происходит отделение слабого и электромагнитного взаимодействий. В результате на масштабе энергий, характерных для физики макроскопических явлений, три рассматриваемых взаимодействия выглядят как не имеющие единой природы.

     Заметим теперь, что энергия 10¹⁵ ГэВ отстоит не так далеко от планковской энергии

     при которой становятся существенными  квантовогравитационные эффекты. Поэтому  теория великого объединения с необходимостью ведет к проблеме квантовой гравитации. Если далее следовать тенденции  объединения, мы должны принять идею о существовании одного всеобъемлющего фундаментального взаимодействия, которое  разделяется на отдельные гравитационное, сильное, слабое и электромагнитное последовательно по мере понижения  энергии от планковского значения до энергий, меньших 10² ГэВ.

     Построение  такой грандиозной объединяющей теории, по-видимому, неосуществимо  в рамках системы идей, приведших  к стандартной теории электрослабых  взаимодействий и моделям великого объединения. Требуется привлечение  новых, возможно кажущихся сумасшедшими, представлений, идей, методов. Несмотря на очень интересные подходы, развитые в последнее время, такие, как  супергравитация и теория струн, проблема объединения всех фундаментальных  взаимодействий остается открытой.

Управляемые термоядерные реакции

     Считается, что запасов химически топлива человечеству хватит на несколько десятков лет. Ограниченны и разведанные запасы ядерного горючего. Спасти человечество от энергетического голода и стать практически неисчерпаемым источником энергии могут управляемые термоядерные реакции в плазме.

     В 1 л обычной воды содержится 0,15 мл воды тяжёлой (D₂O). При слиянии ядер дейтерия из 0,15 мл D₂O выделяется столько же энергии, сколько её образуется при сгорании 300 л бензина. Тритий в природе практически не существует, однако его можно получить, бомбардируя нейтронами n изотоп лития:

     n+⁷ Li ® ⁴He + T

     Ядро  атома водорода не что иное как протон p. В ядре дейтерия содержится, кроме того, ещё один нейтрон, а в ядре трития - два нейтрона. Дейтерий и тритий могут реагировать друг с другом десятью разными способами. Но вероятности такой реакций различаются порой в сотни триллионов раз, а количество выделяющейся энергии - в 10-15 раз. Практический интерес представляют только три из них:

     D + D ®  T + p +  4МэВ ;

     D + D ®  ³He + n +  3,3МэВ;

     D + T ®  ⁴He + n +  17,6МэВ.

     Если  все ядра в каком-то объёме одновременно вступают в реакцию, энергия выделяется мгновенно. Происходит термоядерный взрыв. В реакторе же реакция синтеза  должна протекать медленно.

     Осуществить управляемый термоядерный синтез до сих пор не удалось, а преимущества он сулит немалые. Энергия, которая  выделяется при термоядерных реакциях на единицу массы топлива, в миллионы раз превышает энергию химического  топлива и, значит, в сотни раз  дешевле. В термоядерной энергетике нет выброса продуктов сгорания в атмосферу и радиоактивных  отходов. Наконец, на термоядерной электростанции исключен взрыв.

     Во  время синтеза основная часть  энергии (более 75 %) выделяется в виде кинетической энергии нейтронов или протонов. Если замедлить нейтроны в подходящем веществе, оно нагревается; полученную теплоту легко превратить в электрическую энергию. Кинетическая энергия заряженных частиц - протонов - преобразуется в электричество непосредственно.

     В реакции синтеза ядра должны соединяться, но они заряжены положительно и, следовательно, по закону Кулона, отталкиваются. Чтобы  преодолеть силы отталкивания, даже ядрам  дейтерия и трития, имеющим наименьший заряд (Z. = 1), необходима энергия около 10 или 100 кэВ. Ей соответствует температура порядка 10⁸-10⁹ К. При таких температурах любое вещество находится в состоянии высокотемпературной плазмы.

     С позиций классической физики реакция  синтеза невозможна, но здесь на помощь приходит чисто квантовый  - туннельный эффект. Вычислено, что температура зажигания, начиная с которой выделение энергии превосходит её потери, для реакции дейтерий- тритий (DТ) равна приблизительно 4,5х10⁷ К, а для реакций дейтерий-дейтерий (DD) - около 4х10⁸ К. Естественно, предпочтительнее реакция DТ. Нагревают плазму электрическим током, лазерным излучением, электромагнитными волнами и другими способами. Но важна не только высокая температура.

     Чем выше концентрация, тем чаще сталкиваются друг с другом частицы, поэтому может  показаться, что для осуществления  термоядерных реакций лучше использовать плазму высокой плотности. Однако, если бы в 1 см³ плазмы содержалось 10¹⁹ частиц (концентрация молекул в газе при нормальных условиях), давление в ней при температурах термоядерных реакций достигало бы порядка 10⁶ атм. Такого давления не выдерживает ни одна конструкция, а потому плазма должна быть разрежённой (с концентрацией около 10¹⁵ частиц в 1 см³). Соударения частиц в этом случае происходят реже, и для поддержания реакции необходимо увеличивать время пребывания их в реакторе, или время удержания. Значит, для осуществления термоядерной реакции необходимо рассматривать произведение концентрации частиц плазмы на время их удержания. Для реакций DD это произведение (так называемый критерий Лоусона) равно 10¹⁶ с/см³, а для реакции DТ - 10¹⁴с/см³. Следовательно, реакцию DТ реализовать легче, чем DD.

     Когда начинались исследования плазмы, казалось, что осуществить управляемый  синтез удастся быстро. Но со временем выяснилось, что в высокотемпературной  плазме происходят сложные процессы и решающую роль играют многочисленные неустойчивости. Сегодня разрабатывается  несколько типов устройств, в  которых предполагается провести термоядерный синтез. Наиболее перспективными считаются токамаки (сокращение от «ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками»). Токамак представляет собой гигантский трансформатор, первичная катушка которого намотана на сердечник, а вторичная имеет единственный виток - вакуумную камеру в форме тора (от лат. TORUS - «выпуклость»), с плазменным шнуром внутри. Система магнитов удерживает шнур в центре камеры, а ток силой в тысячи ампер нагревает его до требуемой температуры. Нейтроны, образующиеся в ходе термоядерной реакции, поглощаются в бланкете - слое вещества, окружающем камеру. Выделяющееся при этом тепло можно использовать для получения электроэнергии.

     Несмотря  на кажущуюся простоту токамака, ни одно устройство подобного типа не дало положительного выхода энергии. Большие  надежды возлагаются на проектируемый  в настоящее время гигантский токамак ITER. На этой установке, если она  будет сооружена к 2005 г., предполагаемая мощность выхода 1,5 • 10⁹ Вт. Среди других проектов следует отметить два: стеллараторы и устройства инерциального удержания плазмы.

     Магнитное поле сложной формы, удерживающее плазму в круговой камере токамака, противодействует собственному полю плазменного шнура, которое стремится изогнуть траекторию заряженных частиц плазмы. В стеллараторе (от лат. STELLA - Звезда») плазме позволили принять форму, какую она «хочет», и оставили только поле, сжимающее шнур. Вакуумная камера приобрела весьма причудливый вид, а множество магнитных катушек - довольно сложную форму. Эксперименты на стеллараторах идут в разных странах, но добиться нужной температуры и времени удержания плазмы пока не удалось.

     Принципиально иным является метод инерциального удержания плазмы, основанный на инерции реакционной смеси, которая при мгновенном нагреве (например, лазерным импульсом) разлетается не сразу. Ампулу, где находится смесь дейтерия с тритием, облучают со всех сторон лазерными импульсами длительностью до 10^-10 с и суммарной мощностью порядка 10²⁰ Вт/см. Оболочка ампулы испаряется, расширяющиеся газы и световое давление сжимают её  содержимое почти в 50 тыс. раз. Давление в смеси возрастает до 1 млн. атм, а  её плотность - до 50-100 г/см³. При  таких условиях начинается термоядерная реакция.