Astronet > Fundamental'nye vzaimodeistviya

po tekstam po klyuchevym slovam v glossarii po saitam perevod po katalogu

Fundamental'nye vzaimodeistviya

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

Ponyatie o kvantovoi gravitacii

Mozhno li voobshe govorit' o kvantovyh proyavleniyah gravitacionnogo vzaimodeistviya? Kak prinyato schitat', principy kvantovoi mehaniki nosyat universal'nyi harakter i primenimy k lyubomu fizicheskomu ob'ektu. V etom smysle gravitacionnoe pole ne predstavlyaet isklyucheniya. Teoreticheskie issledovaniya pokazyvayut, chto na kvantovom urovne gravitacionnoe vzaimodeistvie perenositsya elementarnoi chasticei, nazyvaemoi graviton. Mozhno otmetit', chto graviton yavlyaetsya bezmassovym bozonom so spinom 2. Gravitacionnoe vzaimodeistvie mezhdu chasticami, obuslovlennoe obmenom gravitonom, uslovno izobrazhaetsya sleduyushim obrazom:

Chastica, ispuskayushaya graviton - chastica, pogloshayushaya graviton

Chastica ispuskaet graviton, v silu chego sostoyanie ee dvizheniya izmenyaetsya. Drugaya chastica pogloshaet graviton i takzhe izmenyaet sostoyanie svoego dvizheniya. V rezul'tate voznikaet vozdeistvie chastic drug na druga.

Kak my uzhe otmechali, konstantoi svyazi, harakterizuyushei gravitacionnoe vzaimodeistvie, yavlyaetsya n'yutonovskaya konstanta G. Horosho izvestno, chto G - razmernaya velichina. Ochevidno, chto dlya ocenki intensivnosti vzaimodeistviya udobno imet' bezrazmernuyu konstantu svyazi. Chtoby poluchit' takuyu konstantu, mozhno ispol'zovat' fundamental'nye postoyannye: $\hbar$ (postoyannaya Planka) i c (skorost' sveta) - i vvesti kakuyu-nibud' etalonnuyu massu, naprimer massu protona m_p. Togda bezrazmernaya konstanta svyazi gravitacionnogo vzaimodeistviya budet $G{{m}_{p}}^{2}/(\hbar c) \sim 6*{10}^{-39}$ , chto, konechno, yavlyaetsya ochen' maloi velichinoi.

Interesno otmetit', chto iz fundamental'nyh postoyannyh G, $\hbar$ , c mozhno postroit' velichiny, imeyushie razmernost' dliny, vremeni, plotnosti, massy, energii. Eti velichiny nazyvayutsya plankovskimi. V chastnosti, plankovskaya dlina l_Pl i plankovskoe vremya t_Pl vyglyadyat sleduyushim obrazom:

${l}_{Pl} = \displaystyle{\sqrt{\frac{\hbar G}{{c}^{3}}}} \approx 1.6*{10}^{-33}$ sm, ${t}_{Pl} = \displaystyle{\sqrt{\frac{\hbar G}{{c}^{5}}}} \approx 1.6*{10}^{-43}$ c.

Kazhdaya fundamental'naya fizicheskaya konstanta harakterizuet opredelennyi krug fizicheskih yavlenii: G - gravitacionnye yavleniya, $\hbar$ - kvantovye, c - relyativistskie. Poetomu esli v kakoe-to sootnoshenie vhodyat odnovremenno G, $\hbar$ , c, to eto znachit, chto dannoe sootnoshenie opisyvaet yavlenie, kotoroe odnovremenno yavlyaetsya gravitacionnym, kvantovym i relyativistskim. Takim obrazom, sushestvovanie plankovskih velichin ukazyvaet na vozmozhnoe sushestvovanie sootvetstvuyushih yavlenii v Prirode.

Konechno, chislennye znacheniya l_Pl i t_Pl ochen' maly po sravneniyu s harakternymi znacheniyami velichin v makromire. No eto oznachaet tol'ko to, chto kvantovogravitacionnye effekty slabo proyavlyayut sebya. Oni mogli byt' sushestvenny lish' togda, kogda harakternye parametry stali by sravnimymi s plankovskimi velichinami.

Otlichitel'noi chertoi yavlenii mikromira yavlyaetsya to obstoyatel'stvo, chto fizicheskie velichiny okazyvayutsya podverzhennymi tak nazyvaemym kvantovym fluktuaciyam. Eto oznachaet, chto pri mnogokratnyh izmereniyah fizicheskoi velichiny v opredelennom sostoyanii principial'no dolzhny poluchat'sya razlichnye chislennye znacheniya, obuslovlennye nekontroliruemym vzaimodeistviem pribora s nablyudaemym ob'ektom. Vspomnim, chto gravitaciya svyazana s proyavleniem krivizny prostranstva-vremeni, to est' s geometriei prostranstva-vremeni. Poetomu sleduet ozhidat', chto na vremenah poryadka t_Pl i rasstoyaniyah poryadka l_Pl geometriya prostranstva-vremeni dolzhna stat' kvantovym ob'ektom, geometricheskie harakteristiki dolzhny ispytyvat' kvantovye fluktuacii. Drugimi slovami, na plankovskih masshtabah net nikakoi fiksirovannoi prostranstvenno-vremennoi geometrii, obrazno govorya, prostranstvo-vremya predstavlyaet soboi burlyashuyu penu.

Posledovatel'naya kvantovaya teoriya gravitacii ne postroena. V silu chrezvychaino malyh znachenii l_Pl , t_Pl sleduet ozhidat', chto v lyubom obozrimom budushem ne udastsya postavit' eksperimenty, v kotoryh proyavili by sebya kvantovogravitacionnye effekty. Poetomu teoreticheskoe issledovanie voprosov kvantovoi gravitacii ostaetsya edinstvennoi vozmozhnost'yu prodvizheniya vpered. Est' li, odnako, yavleniya, gde kvantovaya gravitaciya mogla by okazat'sya sushestvennoi? Da, est', i my o nih uzhe govorili. Eto gravitacionnyi kollaps i Bol'shoi Vzryv. Soglasno klassicheskoi teorii gravitacii, ob'ekt, podverzhennyi gravitacionnomu kollapsu, dolzhen szhimat'sya do skol' ugodno malyh razmerov. Eto oznachaet, chto ego razmery mogut stat' sravnimymi s l_Pl , gde klassicheskaya teoriya uzhe neprimenima. Tochno tak zhe v processe Bol'shogo Vzryva vozrast Vselennoi byl sravnim s t_Pl i ona imela razmery poryadka l_Pl. Eto oznachaet, chto ponimanie fiziki Bol'shogo Vzryva nevozmozhno v ramkah klassicheskoi teorii. Takim obrazom, opisanie konechnoi stadii gravitacionnogo kollapsa i nachal'noi stadii evolyucii Vselennoi mozhet byt' osushestvleno tol'ko s privlecheniem kvantovoi teorii gravitacii.

Slaboe vzaimodeistvie

Eto vzaimodeistvie yavlyaetsya naibolee slabym iz fundamental'nyh vzaimodeistvii, eksperimental'no nablyudaemyh v raspadah elementarnyh chastic, gde principial'no sushestvennymi yavlyayutsya kvantovye effekty. Napomnim, chto kvantovye proyavleniya gravitacionnogo vzaimodeistviya nikogda ne nablyudalis'. Slaboe vzaimodeistvie vydelyaetsya s pomosh'yu sleduyushego pravila: esli v processe vzaimodeistviya uchastvuet elementarnaya chastica, nazyvaemaya neitrino (ili antineitrino), to dannoe vzaimodeistvie yavlyaetsya slabym.

Tipichnyi primer slabogo vzaimodeistviya - eto beta-raspad neitrona

$n \rightarrow p + {e}^{-} + {\bar{\nu}}_{e}$

gde n - neitron, p - proton, e^- - elektron, ${\bar{\nu}}_{e}$ - elektronnoe antineitrino. Sleduet, odnako, imet' v vidu, chto ukazannoe vyshe pravilo sovsem ne oznachaet, chto lyuboi akt slabogo vzaimodeistviya obyazan soprovozhdat'sya neitrino ili antineitrino. Izvestno, chto imeet mesto bol'shoe chislo bezneitrinnyh raspadov. V kachestve primera mozhno otmetit' process raspada lyambda-giperona $\Delta$ na proton p i otricatel'no zaryazhennyi pion ${\pi}^{-}$ . Po sovremennym predstavleniyam neitron i proton ne yavlyayutsya istinno elementarnymi chasticami, a sostoyat iz elementarnyh chastic, nazyvaemyh kvarkami.

Intensivnost' slabogo vzaimodeistviya harakterizuetsya konstantoi svyazi Fermi G_F. Konstanta G_F razmerna. Chtoby obrazovat' bezrazmernuyu velichinu, neobhodimo ispol'zovat' kakuyu-nibud' etalonnuyu massu, naprimer massu protona m_p. Togda bezrazmernaya konstanta svyazi budet ${G}_{F}{{m}_{p}}^{2} \sim {10}^{-5}$ . Vidno, chto slaboe vzaimodeistvie gorazdo intensivnee gravitacionnogo.

Slaboe vzaimodeistvie v otlichie ot gravitacionnogo yavlyaetsya korotkodeistvuyushim. Eto oznachaet, chto slaboe vzaimodeistvie mezhdu chasticami nachinaet deistvovat', tol'ko esli chasticy nahodyatsya dostatochno blizko drug k drugu. Esli zhe rasstoyanie mezhdu chasticami prevoshodit nekotoruyu velichinu, nazyvaemuyu harakternym radiusom vzaimodeistviya, slaboe vzaimodeistvie ne proyavlyaet sebya. Eksperimental'no ustanovleno, chto harakternyi radius slabogo vzaimodeistviya poryadka 10^-15 sm, to est' slaboe vzaimodeistvie, sosredotochen na rasstoyaniyah men'she razmerov atomnogo yadra.

Pochemu mozhno govorit' o slabom vzaimodeistvii kak o nezavisimom vide fundamental'nyh vzaimodeistvii? Otvet prost. Ustanovleno, chto est' processy prevrashenii elementarnyh chastic, kotorye ne svodyatsya k gravitacionnym, elektromagnitnym i sil'nym vzaimodeistviyam. Horoshii primer, pokazyvayushii, chto sushestvuyut tri kachestvenno razlichnyh vzaimodeistviya v yadernyh yavleniyah, svyazan s radioaktivnost'yu. Eksperimenty ukazyvayut na nalichie treh razlichnyh vidov radioaktivnosti: $\alpha$ -, $\beta$ - i $\gamma$ -radioaktivnyh raspadov. Pri etom $\alpha$ -raspad obuslovlen sil'nym vzaimodeistviem, $\gamma$ -raspad - elektromagnitnym. Ostavshiisya $\beta$ -raspad ne mozhet byt' ob'yasnen elektromagnitnym i sil'nym vzaimodeistviyami, i my vynuzhdeny prinyat', chto est' eshe odno fundamental'noe vzaimodeistvie, nazvannoe slabym. V obshem sluchae neobhodimost' vvedeniya slabogo vzaimodeistviya obuslovlena tem, chto v prirode proishodyat processy, v kotoryh elektromagnitnye i sil'nye raspady zapresheny zakonami sohraneniya.

Hotya slaboe vzaimodeistvie sushestvenno sosredotocheno vnutri yadra, ono imeet opredelennye makroskopicheskie proyavleniya. Kak my uzhe otmechali, ono svyazano s processom $\beta$ -radioaktivnosti. Krome togo, slaboe vzaimodeistvie igraet vazhnuyu rol' v tak nazyvaemyh termoyadernyh reakciyah, otvetstvennyh za mehanizm energovydeleniya v zvezdah.

Udivitel'neishim svoistvom slabogo vzaimodeistviya yavlyaetsya sushestvovanie processov, v kotoryh proyavlyaetsya zerkal'naya asimmetriya. Na pervyi vzglyad kazhetsya ochevidnym, chto raznica mezhdu ponyatiyami levoe i pravoe uslovna. Deistvitel'no, processy gravitacionnogo, elektromagnitnogo i sil'nogo vzaimodeistviya invariantny otnositel'no prostranstvennoi inversii, osushestvlyayushei zerkal'noe otrazhenie. Govoryat, chto v takih processah sohranyaetsya prostranstvennaya chetnost' P. Odnako eksperimental'no ustanovleno, chto slabye processy mogut protekat' s nesohraneniem prostranstvennoi chetnosti i, sledovatel'no, kak by chuvstvuyut raznicu mezhdu levym i pravym. V nastoyashee vremya imeyutsya tverdye eksperimental'nye dokazatel'stva, chto nesohranenie chetnosti v slabyh vzaimodeistviyah nosit universal'nyi harakter, ono proyavlyaet sebya ne tol'ko v raspadah elementarnyh chastic, no i v yadernyh i dazhe atomnyh yavleniyah. Sleduet priznat', chto zerkal'naya asimmetriya predstavlyaet soboi svoistvo Prirody na samom fundamental'nom urovne.

Nesohranenie chetnosti v slabyh vzaimodeistviyah vyglyadelo nastol'ko neobychnym svoistvom, chto prakticheski srazu posle ego otkrytiya teoretiki predprinyali popytki pokazat', chto na samom dele sushestvuet polnaya simmetriya mezhdu levym i pravym, tol'ko ona imeet bolee glubokii smysl, chem eto ranee schitalos'. Zerkal'noe otrazhenie dolzhno soprovozhdat'sya zamenoi chastic na antichasticy (zaryadovoe sopryazhenie C ), i togda vse fundamental'nye vzaimodeistviya dolzhny byt' invariantnymi. Odnako pozdnee bylo ustanovleno, chto eta invariantnost' ne yavlyaetsya universal'noi. Sushestvuyut slabye raspady tak nazyvaemyh dolgozhivushih neitral'nyh kaonov na piony ${\pi}^{+}$ , ${\pi}^{-}$ , zapreshennye, esli by ukazannaya invariantnost' real'no imela mesto. Takim obrazom, otlichitel'nym svoistvom slabogo vzaimodeistviya yavlyaetsya ego CP-neinvariantnost'. Vozmozhno, chto eto svoistvo otvetstvenno za to obstoyatel'stvo, chto veshestvo vo Vselennoi znachitel'no prevaliruet nad antiveshestvom, postroennym iz antichastic. Mir i antimir nesimmetrichny.

Vopros o tom, kakie chasticy yavlyayutsya perenoschikami slabogo vzaimodeistviya, dolgoe vremya byl neyasen. Ponimaniya udalos' dostich' sravnitel'no nedavno v ramkah ob'edinennoi teorii elektroslabyh vzaimodeistvii - teorii Vainberga-Salama-Gleshou. V nastoyashee vremya obsheprinyato, chto perenoschikami slabogo vzaimodeistviya yavlyayutsya tak nazyvaemye ${W}^{\pm}$ - i Z⁰-bozony. Eto zaryazhennye ${W}^{\pm}$ i neitral'naya Z⁰ elementarnye chasticy so spinom 1 i massami, ravnymi po poryadku velichiny 100 m_p.

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

Obsudit' etu publikaciyu

Versiya dlya pechati

Astrometriya - Astronomicheskie instrumenty - Astronomicheskoe obrazovanie - Astrofizika - Istoriya astronomii - Kosmonavtika, issledovanie kosmosa - Lyubitel'skaya astronomiya - Planety i Solnechnaya sistema - Solnce