Fundamental'nye vzaimodeistviya

I. L. Buhbinder (Tomskii gosudarstvennyi pedagogicheskii universitet)
Opublikovano v Sorosovskom obrazovatel'nom zhurnale, N 5, 1997 g. Soderzhanie

---

Vvedenie

Sovremennye dostizheniya fiziki vysokih energii vse bol'she ukreplyayut predstavlenie, chto mnogoobrazie svoistv Prirody obuslovleno vzaimodeistvuyushimi elementarnymi chasticami. Dat' neformal'noe opredelenie elementarnoi chasticy, po-vidimomu, nevozmozhno, poskol'ku rech' idet o samyh pervichnyh elementah materii. Na kachestvennom urovne mozhno govorit', chto istinno elementarnymi chasticami nazyvayutsya fizicheskie ob'ekty, kotorye ne imeyut sostavnyh chastei.

Ochevidno, chto vopros ob elementarnosti fizicheskih ob'ektov - eto v pervuyu ochered' vopros eksperimental'nyi. Naprimer, eksperimental'no ustanovleno, chto molekuly, atomy, atomnye yadra imeyut vnutrennyuyu strukturu, ukazyvayushuyu na nalichie sostavnyh chastei. Poetomu ih nel'zya schitat' elementarnymi chasticami. Sravnitel'no nedavno otkryto, chto takie chasticy, kak mezony i bariony, takzhe obladayut vnutrennei strukturoi i, sledovatel'no, ne yavlyayutsya elementarnymi. V to zhe vremya u elektrona vnutrennyaya struktura nikogda ne nablyudalas', i, znachit, ego mozhno otnesti k elementarnym chasticam. Drugim primerom elementarnoi chasticy yavlyaetsya kvant sveta - foton.

Sovremennye eksperimental'nye dannye svidetel'stvuyut, chto sushestvuet tol'ko chetyre kachestvenno razlichnyh vida vzaimodeistvii, v kotoryh uchastvuyut elementarnye chasticy. Eti vzaimodeistviya nazyvayutsya fundamental'nymi, to est' samymi osnovnymi, ishodnymi, pervichnymi. Esli prinyat' vo vnimanie vse mnogoobrazie svoistv okruzhayushego nas Mira, to kazhetsya sovershenno udivitel'nym, chto v Prirode est' tol'ko chetyre fundamental'nyh vzaimodeistviya, otvetstvennyh za vse yavleniya Prirody.

Pomimo kachestvennyh razlichii, fundamental'nye vzaimodeistviya otlichayutsya v kolichestvennom otnoshenii po sile vozdeistviya, kotoraya harakterizuetsya terminom intensivnost'. Po mere uvelicheniya intensivnosti fundamental'nye vzaimodeistviya raspolagayutsya v sleduyushem poryadke: gravitacionnoe, slaboe, elektromagnitnoe i sil'noe. Kazhdoe iz etih vzaimodeistvii harakterizuetsya sootvetstvuyushim parametrom, nazyvaemym konstantoi svyazi, chislennoe znachenie kotorogo opredelyaet intensivnost' vzaimodeistviya.

Kakim obrazom fizicheskie ob'ekty osushestvlyayut fundamental'nye vzaimodeistviya mezhdu soboi? Na kachestvennom urovne otvet na etot vopros vyglyadit sleduyushim obrazom. Fundamental'nye vzaimodeistviya perenosyatsya kvantami. Pri etom v kvantovoi oblasti fundamental'nym vzaimodeistviyam otvechayut sootvetstvuyushie elementarnye chasticy, nazyvaemye elementarnymi chasticami - perenoschikami vzaimodeistvii. V processe vzaimodeistviya fizicheskii ob'ekt ispuskaet chasticy - perenoschiki vzaimodeistviya, kotorye pogloshayutsya drugim fizicheskim ob'ektom. Eto vedet k tomu, chto ob'ekty kak by chuvstvuyut drug druga, ih energiya, harakter dvizheniya, sostoyanie izmenyayutsya, to est' oni ispytyvayut vzaimnoe vliyanie.

V sovremennoi fizike vysokih energii vse bol'shee znachenie priobretaet ideya ob'edineniya fundamental'nyh vzaimodeistvii. Soglasno ideyam ob'edineniya, v Prirode sushestvuet tol'ko odno edinoe fundamental'noe vzaimodeistvie, proyavlyayushee sebya v konkretnyh situaciyah kak gravitacionnoe, ili kak slaboe, ili kak elektromagnitnoe, ili kak sil'noe, ili kak ih nekotoraya kombinaciya. Uspeshnoi realizaciei idei ob'edineniya posluzhilo sozdanie stavshei uzhe standartnoi ob'edinennoi teorii elektromagnitnyh i slabyh vzaimodeistvii. Idet rabota po razvitiyu edinoi teorii elektromagnitnyh, slabyh i sil'nyh vzaimodeistvii, poluchivshei nazvanie teorii velikogo ob'edineniya. Predprinimayutsya popytki naiti princip ob'edineniya vseh chetyreh fundamental'nyh vzaimodeistvii. My posledovatel'no rassmotrim osnovnye proyavleniya fundamental'nyh vzaimodeistvii.

Gravitacionnoe vzaimodeistvie

Eto vzaimodeistvie nosit universal'nyi harakter, v nem uchastvuyut vse vidy materii, vse ob'ekty prirody, vse elementarnye chasticy! Obsheprinyatoi klassicheskoi (ne kvantovoi) teoriei gravitacionnogo vzaimodeistviya yavlyaetsya einshteinovskaya obshaya teoriya otnositel'nosti. Gravitaciya opredelyaet dvizhenie planet v zvezdnyh sistemah, igraet vazhnuyu rol' v processah, protekayushih v zvezdah, upravlyaet evolyuciei Vselennoi, v zemnyh usloviyah proyavlyaet sebya kak sila vzaimnogo prityazheniya. Konechno, my perechislili tol'ko nebol'shoe chislo primerov iz ogromnogo spiska effektov gravitacii.

Soglasno obshei teorii otnositel'nosti, gravitaciya svyazana s kriviznoi prostranstva-vremeni i opisyvaetsya v terminah tak nazyvaemoi rimanovoi geometrii. V nastoyashee vremya vse eksperimental'nye i nablyudatel'nye dannye o gravitacii ukladyvayutsya v ramki obshei teorii otnositel'nosti. Odnako dannye o sil'nyh gravitacionnyh polyah po sushestvu otsutstvuyut, poetomu eksperimental'nye aspekty etoi teorii soderzhat mnogo voprosov. Takaya situaciya porozhdaet poyavlenie razlichnyh al'ternativnyh teorii gravitacii, predskazaniya kotoryh prakticheski neotlichimy ot predskazanii obshei teorii otnositel'nosti dlya fizicheskih effektov v Solnechnoi sisteme, no vedut k drugim sledstviyam v sil'nyh gravitacionnyh polyah.

Esli prenebrech' vsemi relyativistskimi effektami i ogranichit'sya slabymi stacionarnymi gravitacionnymi polyami, to obshaya teoriya otnositel'nosti svoditsya k n'yutonovskoi teorii vsemirnogo tyagoteniya. V etom sluchae, kak izvestno, potencial'naya energiya vzaimodeistviya dvuh tochechnyh chastic s massami m₁ i m₂ daetsya sootnosheniem , gde r - rasstoyanie mezhdu chasticami, G - n'yutonovskaya gravitacionnaya postoyannaya, igrayushaya rol' konstanty gravitacionnogo vzaimodeistviya. Dannoe sootnoshenie pokazyvaet, chto potencial'naya energiya vzaimodeistviya V(r) otlichna ot nulya pri lyubom konechnom r i spadaet k nulyu ochen' medlenno. Po etoi prichine govoryat, chto gravitacionnoe vzaimodeistvie yavlyaetsya dal'nodeistvuyushim.

Iz mnogih fizicheskih predskazanii obshei teorii otnositel'nosti otmetim tri. Teoreticheski ustanovleno, chto gravitacionnye vozmusheniya mogut rasprostranyat'sya v prostranstve v vide voln, nazyvaemyh gravitacionnymi. Rasprostranyayushiesya slabye gravitacionnye vozmusheniya vo mnogom analogichny elektromagnitnym volnam. Ih skorost' ravna skorosti sveta, oni imeyut dva sostoyaniya polyarizacii, dlya nih harakterny yavleniya interferencii i difrakcii. Odnako v silu chrezvychaino slabogo vzaimodeistviya gravitacionnyh voln s veshestvom ih pryamoe eksperimental'noe nablyudenie do sih por ne bylo vozmozhno. Tem ne menee dannye nekotoryh astronomicheskih nablyudenii po potere energii v sistemah dvoinyh zvezd svidetel'stvuyut o vozmozhnom sushestvovanii gravitacionnyh voln v prirode.

Teoreticheskoe issledovanie uslovii ravnovesiya zvezd v ramkah obshei teorii otnositel'nosti pokazyvaet, chto pri opredelennyh usloviyah dostatochno massivnye zvezdy mogut nachat' katastroficheski szhimat'sya. Eto okazyvaetsya vozmozhnym na dostatochno pozdnih stadiyah evolyucii zvezdy, kogda vnutrennee davlenie, obuslovlennoe processami, otvetstvennymi za svetimost' zvezdy, ne v sostoyanii uravnovesit' davlenie sil tyagoteniya, stremyashihsya szhat' zvezdu. V rezul'tate process szhatiya uzhe nichem ne mozhet byt' ostanovlen. Opisannoe fizicheskoe yavlenie, predskazannoe teoreticheski v ramkah obshei teorii otnositel'nosti, poluchilo nazvanie gravitacionnogo kollapsa. Issledovaniya pokazali, chto esli radius zvezdy stanovitsya men'she tak nazyvaemogo gravitacionnogo radiusa R_g = 2GM / c², gde M - massa zvezdy, a c - skorost' sveta, to dlya vneshnego nablyudatelya zvezda gasnet. Nikakaya informaciya o processah, idushih v etoi zvezde, ne mozhet dostich' vneshnego nablyudatelya. Pri etom tela, padayushie na zvezdu, svobodno peresekayut gravitacionnyi radius. Esli v kachestve takogo tela podrazumevaetsya nablyudatel', to nichego, krome usileniya gravitacii, on ne zametit. Takim obrazom, voznikaet oblast' prostranstva, v kotoruyu mozhno popast', no iz kotoroi nichego ne mozhet vyiti, vklyuchaya svetovoi luch. Podobnaya oblast' prostranstva nazyvaetsya chernoi dyroi. Sushestvovanie chernyh dyr yavlyaetsya odnim iz teoreticheskih predskazanii obshei teorii otnositel'nosti, nekotorye al'ternativnye teorii gravitacii postroeny imenno tak, chto oni zapreshayut takogo tipa yavleniya. V svyazi s etim vopros o real'nosti chernyh dyr imeet isklyuchitel'no vazhnoe znachenie. V nastoyashee vremya imeyutsya nablyudatel'nye dannye, svidetel'stvuyushie o nalichii chernyh dyr vo Vselennoi.

V ramkah obshei teorii otnositel'nosti vpervye udalos' sformulirovat' problemu evolyucii Vselennoi. Tem samym Vselennaya v celom stanovitsya ne predmetom spekulyativnyh rassuzhdenii, a ob'ektom fizicheskoi nauki. Razdel fiziki, predmetom kotorogo yavlyaetsya Vselennaya v celom, nazyvaetsya kosmologiei. V nastoyashee vremya schitaetsya tverdo ustanovlennym, chto my zhivem v rasshiryayusheisya Vselennoi.

Sovremennaya kartina evolyucii Vselennoi osnovyvaetsya na predstavlenii o tom, chto Vselennaya, vklyuchaya takie ee atributy, kak prostranstvo i vremya, voznikla v rezul'tate osobogo fizicheskogo yavleniya, nazyvaemogo Bol'shoi Vzryv, i s teh por rasshiryaetsya. Soglasno teorii evolyucii Vselennoi, rasstoyaniya mezhdu dalekimi galaktikami dolzhny uvelichivat'sya so vremenem, i vsya Vselennaya dolzhna byt' zapolnena teplovym izlucheniem s temperaturoi poryadka 3 K. Eti predskazaniya teorii nahodyatsya v prekrasnom sootvetstvii s dannymi astronomicheskih nablyudenii. Pri etom ocenki pokazyvayut, chto vozrast Vselennoi, to est' vremya, proshedshee s momenta Bol'shogo Vzryva, sostavlyaet poryadka 10 mlrd let. Chto kasaetsya detalei Bol'shogo Vzryva, to eto yavlenie slabo izucheno i mozhno govorit' o zagadke Bol'shogo Vzryva kak o vyzove fizicheskoi nauke v celom. Ne isklyucheno, chto ob'yasnenie mehanizma Bol'shogo Vzryva svyazano s novymi, poka eshe neizvestnymi zakonami Prirody. Obsheprinyatyi sovremennyi vzglyad na vozmozhnoe reshenie problemy Bol'shogo Vzryva osnovyvaetsya na idee ob'edineniya teorii gravitacii i kvantovoi mehaniki.

Nazad | Vpered

Publikacii s klyuchevymi slovami: sil'noe vzaimodeistvie - slaboe vzaimodeistvie - elektroslaboe vzaimodeistvie Publikacii so slovami: sil'noe vzaimodeistvie - slaboe vzaimodeistvie - elektroslaboe vzaimodeistvie
Sm. takzhe: Ugol Vainberga Narushenie chetnosti pri elektron-elektronnyh vzaimodeistviyah K.A.Postnov "Kak rabotayut v kosmose zakony fiziki" Tullio REDZhE "Etyudy o Vselennoi" Kak rabotayut v kosmose zakony fiziki