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

Elektromagnitnoe vzaimodeistvie

V elektromagnitnom vzaimodeistvii uchastvuyut vse zaryazhennye tela, vse zaryazhennye elementarnye chasticy. V etom smysle ono dostatochno universal'no. Klassicheskoi teoriei elektromagnitnogo vzaimodeistviya yavlyaetsya maksvellovskaya elektrodinamika. V kachestve konstanty svyazi prinimaetsya zaryad elektrona e.

Esli rassmotret' dva pokoyashihsya tochechnyh zaryada q₁ i q₂ , to ih elektromagnitnoe vzaimodeistvie svedetsya k izvestnoi elektrostaticheskoi sile. Eto oznachaet, chto vzaimodeistvie yavlyaetsya dal'nodeistvuyushim i medlenno spadaet s rostom rasstoyaniya mezhdu zaryadami.

Klassicheskie proyavleniya elektromagnitnogo vzaimodeistviya horosho izvestny, i my ne budem na nih ostanavlivat'sya. S tochki zreniya kvantovoi teorii perenoschikom elektromagnitnogo vzaimodeistviya yavlyaetsya elementarnaya chastica foton - bezmassovyi bozon so spinom 1. Kvantovoe elektromagnitnoe vzaimodeistvie mezhdu zaryadami uslovno izobrazhaetsya sleduyushim obrazom:

Chastica, ispuskayushaya foton - chastica, pogloshayushaya foton

Zaryazhennaya chastica ispuskaet foton, v silu chego sostoyanie ee dvizheniya izmenyaetsya. Drugaya chastica pogloshaet etot foton i takzhe izmenyaet sostoyanie svoego dvizheniya. V rezul'tate chasticy kak by chuvstvuyut nalichie drug druga. Horosho izvestno, chto elektricheskii zaryad yavlyaetsya razmernoi velichinoi. Udobno vvesti bezrazmernuyu konstantu svyazi elektromagnitnogo vzaimodeistviya. Dlya etogo nado ispol'zovat' fundamental'nye postoyannye $\hbar$ i c. V rezul'tate prihodim k sleduyushei bezrazmernoi konstante svyazi, nazyvaemoi v atomnoi fizike postoyannoi tonkoi struktury

$\alpha = \displaystyle{\frac{{e}^{2}}{\hbar c}} \approx \displaystyle{\frac{1}{137}}$

Legko zametit', chto dannaya konstanta znachitel'no prevyshaet konstanty gravitacionnogo i slabogo vzaimodeistvii.

S sovremennoi tochki zreniya elektromagnitnoe i slaboe vzaimodeistviya predstavlyayut soboi razlichnye storony edinogo elektroslabogo vzaimodeistviya. Sozdana ob'edinennaya teoriya elektroslabogo vzaimodeistviya - teoriya Vainberga-Salama-Gleshou, ob'yasnyayushaya s edinyh pozicii vse aspekty elektromagnitnyh i slabyh vzaimodeistvii. Mozhno li ponyat' na kachestvennom urovne, kak proishodit razdelenie ob'edinennogo vzaimodeistviya na otdel'nye, kak by nezavisimye vzaimodeistviya?

Poka harakternye energii dostatochno maly, elektromagnitnoe i slaboe vzaimodeistviya otdeleny i ne vliyayut drug na druga. S rostom energii nachinaetsya ih vzaimovliyanie, i pri dostatochno bol'shih energiyah eti vzaimodeistviya slivayutsya v edinoe elektroslaboe vzaimodeistvie. Harakternaya energiya ob'edineniya ocenivaetsya po poryadku velichiny kak 10² GeV (GeV - eto sokrashennoe ot gigaelektron-vol't, 1 GeV = 10⁹ eV, 1 eV = 1,6*10^-12 erg = 1,6*10¹⁹ Dzh). Dlya sravneniya otmetim, chto harakternaya energiya elektrona v osnovnom sostoyanii atoma vodoroda poryadka 10^-8 GeV, harakternaya energiya svyazi atomnogo yadra poryadka 10^-2 GeV, harakternaya energiya svyazi tverdogo tela poryadka 10^-10 GeV. Takim obrazom, harakternaya energiya ob'edineniya elektromagnitnyh i slabyh vzaimodeistvii ogromna po sravneniyu s harakternymi energiyami v atomnoi i yadernoi fizike. Po etoi prichine elektromagnitnoe i slaboe vzaimodeistviya ne proyavlyayut v obychnyh fizicheskih yavleniyah svoei edinoi sushnosti.

Sil'noe vzaimodeistvie

Sil'noe vzaimodeistvie otvetstvenno za ustoichivost' atomnyh yader. Poskol'ku atomnye yadra bol'shinstva himicheskih elementov stabil'ny, to yasno, chto vzaimodeistvie, kotoroe uderzhivaet ih ot raspada, dolzhno byt' dostatochno sil'nym. Horosho izvestno, chto yadra sostoyat iz protonov i neitronov. Chtoby polozhitel'no zaryazhennye protony ne razletelis' v raznye storony, neobhodimo nalichie sil prityazheniya mezhdu nimi, prevoshodyashih sily elektrostaticheskogo ottalkivaniya. Imenno sil'noe vzaimodeistvie yavlyaetsya otvetstvennym za eti sily prityazheniya.

Harakternoi chertoi sil'nogo vzaimodeistviya yavlyaetsya ego zaryadovaya nezavisimost'. Yadernye sily prityazheniya mezhdu protonami, mezhdu neitronami i mezhdu protonom i neitronom po sushestvu odinakovy. Otsyuda sleduet, chto s tochki zreniya sil'nyh vzaimodeistvii proton i neitron neotlichimy i dlya nih ispol'zuetsya edinyi termin nuklon, to est' chastica yadra.

Harakternyi masshtab sil'nogo vzaimodeistviya mozhno proillyustrirovat' rassmotrev dva pokoyashihsya nuklona. Teoriya privodit k potencial'noi energii ih vzaimodeistviya v vide potenciala Yukavy

$V(r) = -{g}^{2}\displaystyle{\frac{{e}^{-r/r_0}}{r}}$ ,

gde velichina ${r}_{0} \approx {10}^{-13}$ sm i sovpadaet po poryadku velichiny s harakternym razmerom yadra, g - konstanta svyazi sil'nogo vzaimodeistviya. Eto sootnoshenie pokazyvaet, chto sil'noe vzaimodeistvie yavlyaetsya korotkodeistvuyushim i po sushestvu polnost'yu sosredotocheno na rasstoyaniyah, ne prevyshayushih harakternogo razmera yadra. Pri r > r₀ ono prakticheski ischezaet. Izvestnym makroskopicheskim proyavleniem sil'nogo vzaimodeistviya sluzhit effekt $\alpha$ -radioaktivnosti. Sleduet, odnako, imet' v vidu, chto potencial Yukavy ne yavlyaetsya universal'nym svoistvom sil'nogo vzaimodeistviya i ne svyazan s ego fundamental'nymi aspektami.

V nastoyashee vremya sushestvuet kvantovaya teoriya sil'nogo vzaimodeistviya, poluchivshaya nazvanie kvantovoi hromodinamiki. Soglasno etoi teorii, perenoschikami sil'nogo vzaimodeistviya yavlyayutsya elementarnye chasticy - glyuony. Po sovremennym predstavleniyam chasticy, uchastvuyushie v sil'nom vzaimodeistvii i nazyvaemye adronami, sostoyat iz elementarnyh chastic - kvarkov.

Kvarki predstavlyayut soboi fermiony so spinom 1/2 i nenulevoi massoi. Naibolee udivitel'nym svoistvom kvarkov yavlyaetsya ih drobnyi elektricheskii zaryad. Kvarki formiruyutsya v tri pary (tri pokoleniya dubletov), oboznachaemye sleduyushim obrazom:

u	c	t
d	s	b

Kazhdyi tip kvarka prinyato nazyvat' aromatom, tak chto sushestvuyut shest' kvarkovyh aromatov. Pri etom u-, c-, t-kvarki imeyut elektricheskii zaryad $\displaystyle{\frac{2}{3}}|e|$ , a d-, s-, b-kvarki - elektricheskii zaryad $-\displaystyle{\frac{1}{3}}|e|$ , gde e - zaryad elektrona. Krome togo, sushestvuyut tri kvarka dannogo aromata. Oni otlichayutsya kvantovym chislom, nazyvaemym cvetom i prinimayushim tri znacheniya: zheltyi, sinii, krasnyi. Kazhdomu kvarku sootvetstvuet antikvark, imeyushii po otnosheniyu k dannomu kvarku protivopolozhnyi elektricheskii zaryad i tak nazyvaemyi anticvet: antizheltyi, antisinii, antikrasnyi. Prinimaya vo vnimanie chislo aromatov i cvetov, my vidim, chto vsego sushestvuyut 36 kvarkov i antikvarkov.

Kvarki vzaimodeistvuyut drug s drugom posredstvom obmena vosem'yu glyuonami, kotorye predstavlyayut soboi bezmassovye bozony so spinom 1. V processe vzaimodeistviya cveta kvarkov mogut izmenyat'sya. Pri etom sil'noe vzaimodeistvie uslovno izobrazhaetsya sleduyushim obrazom:

Chastica, ispuskayushaya glyuon - chastica, pogloshayushaya gyuon

Kvark, vhodyashii v sostav adrona, ispuskaet glyuon, v silu chego sostoyanie dvizheniya adrona izmenyaetsya. Etot glyuon pogloshaetsya kvarkom, vhodyashim v sostav drugogo adrona, i menyaet sostoyanie ego dvizheniya. V rezul'tate voznikaet vzaimovozdeistvie adronov drug na druga.

Priroda ustroena tak, chto vzaimodeistvie kvarkov vsegda vedet k obrazovaniyu bescvetnyh svyazannyh sostoyanii, kotorye kak raz i yavlyayutsya adronami. Naprimer, proton i neitron sostavleny iz treh kvarkov: p = uud, n = udd. Pion ${\pi}^{-}$ sostavlen iz kvarka u i antikvarka $\bar{d}$ : ${\pi}^{-} = u\bar{d}$ . Otlichitel'naya cherta kvark-kvarkovogo vzaimodeistviya cherez glyuony sostoit v tom, chto s umen'sheniem rasstoyaniya mezhdu kvarkami ih vzaimodeistvie oslablyaetsya. Eto yavlenie poluchilo nazvanie asimptoticheskoi svobody i vedet k tomu, chto vnutri adronov kvarki mozhno rassmatrivat' kak svobodnye chasticy. Asimptoticheskaya svoboda estestvennym obrazom vytekaet iz kvantovoi hromodinamiki. Imeyutsya eksperimental'nye i teoreticheskie ukazaniya na to, chto s rostom rasstoyaniya vzaimodeistvie mezhdu kvarkami dolzhno vozrastat', v silu chego kvarkam energeticheski vygodno nahodit'sya vnutri adrona. Eto oznachaet, chto my mozhem nablyudat' tol'ko bescvetnye ob'ekty - adrony. Odinochnye kvarki i glyuony, obladayushie cvetom, ne mogut sushestvovat' v svobodnom sostoyanii. Yavlenie uderzhaniya elementarnyh chastic, obladayushih cvetom, vnutri adronov poluchilo nazvanie konfainmenta. Dlya ob'yasneniya konfainmenta predlagalis' razlichnye modeli, odnako posledovatel'noe opisanie, vytekayushee iz pervyh principov teorii, do sih por ne postroeno. S kachestvennoi tochki zreniya trudnosti svyazany s tem, chto, obladaya cvetom, glyuony vzaimodeistvuyut so vsemi cvetnymi ob'ektami, v tom chisle i drug s drugom. Po etoi prichine kvantovaya hromodinamika yavlyaetsya sushestvenno nelineinoi teoriei i priblizhennye metody issledovaniya, prinyatye v kvantovoi elektrodinamike i elektroslaboi teorii, okazyvayutsya ne vpolne adekvatnymi v teorii sil'nyh vzaimodeistvii.

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