Время подобно реке, несущей проходящие мимо события, и течение её сильно; только что-либо покажется вам на глаза - а его уже унесло, и видно что-то другое, что тоже вскоре унесёт.

Марк Аврелий

Каждый из нас стремится создать целостную картину мира, включая картину Вселенной, от мельчайших субатомных частиц до величайших масштабов. Но законы физики порою настолько странные и контринтуитивные, что эта задача может стать непосильной для тех, кто не стал профессиональными теоритическими физиками.

Читатель спрашивает:

Хотя это и не астрономия, но может быть вы подскажете. Сильное взаимодействие переносится глюонами и связывает кварки и глюоны вместе. Электромагнитное переносится фотонами и связывает электрические заряженные частицы. Гравитация, предположительно, переносится гравитонами и связывает все частицы с массой. Слабое переносится W и Z частицами, и … связано с распадом? Почему слабое взаимодействие описывают именно так? Ответственно ли слабое взаимодействие за притяжение и/или отталкивание каких-либо частиц? И каких? А если нет, почему тогда это одно из фундаментальных взаимодействий, если оно не связано ни с какими силами? Спасибо.

И всё это – взаимодействия, силы. Для частиц, состояние которых можно измерить, приложение силы меняет её момент – в обычной жизни в таких случаях мы говорим об ускорении. И для трёх из указанных сил это так и есть.

В случае гравитации, общая сумма энергии (в основном массы, но сюда входит вся энергия) искривляет пространство-время, и движение всех остальных частиц меняется в присутствии всего, что имеет энергию. Так оно работает в классической (не квантовой) теории гравитации. Может, и есть более общая теория, квантовой гравитации, где происходит обмен гравитонами, приводящий к тому, что мы наблюдаем как гравитационное взаимодействие.

Перед тем, как продолжить, уясните:

1. У частиц есть свойство, или что-то, присущее им, что позволяет им чувствовать (или не чувствовать) определённый тип силы
2. Другие частицы, переносящие взаимодействия, взаимодействуют с первыми
3. В результате взаимодействий частицы меняют момент, или ускоряются

В электромагнетизме основное свойство – электрический заряд. В отличие от гравитации, он может быть положительным или отрицательным. Фотон, частица, переносящая взаимодействие, связанное с зарядом, приводит к тому, что одинаковые заряды отталкиваются, а различающиеся – притягиваются.

Стоит отметить, что движущиеся заряды, или электрические токи, испытывают ещё одно проявление электромагнетизма – магнетизм. С гравитацией происходит то же самое, и называется гравитомагнетизм (или гравитоэлектромагнетизм). Углубляться не будем – суть в том, что есть не только заряд и переносчик силы, но и токи.

Есть ещё сильное ядерное взаимодействие , у которого есть три типа зарядов. Хотя у всех частиц есть энергия, и они все подвержены гравитации, и хотя кварки, половина лептонов и пара бозонов содержат электрические заряды – только у кварков и глюонов есть цветной заряд, и они могут испытывать сильное ядерное взаимодействие.

Масс везде много, поэтому гравитацию наблюдать легко. А поскольку сильное взаимодействие и электромагнетизм довольно сильны, их тоже легко наблюдать.

Но что насчёт последнего? Слабого взаимодействия?

Про него мы обычно говорим в контексте радиоактивного распада. Тяжёлые кварк или лептон распадаются на лёгкие и более стабильные. Да, слабое взаимодействие имеет к этому отношение. Но в данном примере оно как-то отличается от остальных сил.

Оказывается, что слабое взаимодействие – тоже сила, просто про неё нечасто рассказывают. Она ведь слабая! В 10 000 000 раз слабее, чем электромагнетизм, на дистанции длиной в диаметр протона.

Заряженная частица всегда имеет заряд, независимо от того, двигается она или нет. Но электрический ток, создаваемый ею, зависит от её движения относительно остальных частиц. Ток определяет магнетизм, который так же важен, как и электрическая часть электромагнетизма. У составных частиц вроде протона и нейтрона есть существенные магнитные моменты, как и у электрона.

Кварки и лептоны бывают шести ароматов. Кварки – верхний, нижний, странный, очарованный, прелестный, истинный (согласно их буквенным обозначениям в латинице u, d, s, c, t, b - up, down, strange, charm, top, bottom). Лептоны – электрон, электрон-нейтрино, мюон, мюон-нейтрино, тау, тау-нейтрино. У каждого из них есть электрический заряд, но также и аромат. Если мы объединим электромагнетизм и слабое взаимодействие, чтобы получить электрослабое взаимодействие , то у каждой из частиц будет некий слабый заряд, или электрослабый ток, и константа слабого взаимодействия. Всё это описано в Стандартной модели, но проверить это было довольно сложно, поскольку электромагнетизм настолько силён.

В новом эксперименте, результаты которого недавно были опубликованы , впервые был измерен вклад слабого взаимодействия. Эксперимент позволил определить слабое взаимодействие верхних и нижних кварков

И слабые заряды протона и нейтрона. Предсказания Стандартной модели для слабых зарядов были такие:

Q W (p) = 0.0710 ± 0.0007,
Q W (n) = -0.9890 ± 0.0007.

А по результатам рассеяния эксперимент выдал следующие значения:

Q W (p) = 0.063 ± 0.012,
Q W (n) = -0.975 ± 0.010.

Что очень хорошо совпадает с теорией с учётом погрешности. Экспериментаторы говорят, что обработав больше данных, они ещё уменьшат погрешность. И если там будут какие-то сюрпризы или расхождения со Стандартной моделью, это будет круто! Но на это ничто не указывает:

Поэтому у частиц есть слабый заряд, но мы про него не распространяемся, поскольку его нереально тяжело измерить. Но мы всё-таки сделали это, и судя по всему, снова подтвердили Стандартную модель.

Лептон может випроминиты или поглотить W-бозон, и превратиться в нейтрино;
кварк может випроминиты или поглотить W-бозон, и изменить свой аромат, превратившись в суперпозицию других кварков;
лептон или кварк может поглотить или випроминиты Z-бозон

Способность частицы до слабого взаимодействия описывается квантовым числом, что называется слабый изоспин. Возможные значения изоспину для частиц, которые могут обмениваться W и Z бозонами ± 1 / 2. Именно эти частицы взаимодействуют через слабое взаимодействие. Не взаимодействуют за слабой взаемоидию частицы с нулевым слабым изоспином, для которых процессы обмена W и Z бозонами невозможны. Слабый изоспин сохраняется в реакциях между элементарными частицами. Это означает, что суммарный слабый изоспин всех частиц, участвующих в реакции, остается неизменным, хотя типы частиц могут при этом меняться.
Особенностью слабого взаимодействия является то, что она нарушает четность, поскольку способность к слабого взаимодействия через заряженные токи имеют только фермионы с левой хиральность и античастицы фермионов с правой хиральность. Несохранение четности в слабом взаимодействии открыли Янг Чжэньнин и Ли Чжэндао, за что получили Нобелевскую премию по физике за 1957 год. Причину несохранение четности видят в спонтанном нарушении симметрии. В рамках Стандартной модели за нарушение симметрии соответствует гипотетическая частица – бозон Хиггса. Это единственная частичка обычная модели, которая еще не была обнаружена экспериментально.
При слабом взаимодействии нарушается также CP симметрия. Это нарушение было выявлено экспериментально в 1964 году в экспериментах с каона. Авторы открытия Джеймс Кронин и Вал Фитч награждены Нобелевской премией за 1980. Несохранение CP-симметрии происходит гораздо реже, чем нарушение четности. Оно означает также, поскольку сохранение CPT-симметрия опирается на фундаментральни физические принципы – преобразования Лоренца и близкодействия, возможность нарушения T-симметрии, т.е. неинвариантнисть физических процессов по изменению направления времени.

В 1969 была построена единая теория электромагнитного и слабого ядерного взаимодействия, согласно которой при энергиях советов 100 ГэВ, что соответствует температуре 10 15 К разница между электромагнитными и слабыми процессами исчезает. Экспериментальная проверка единой теории электрослабого и сильного ядерного взаимодействия требует увеличения энергии ускорителей в сто миллиардов раз.
Теория электрослабого взаимодействия построена на основе группы симметрии SU (2).
Несмотря на малую величину и короткодию, слабое взаимодействие выполняет очень важную роль в природе. Если бы удалось «выключить» слабое взаимодействие, то Солнце погасло бы, поскольку стало бы невозможным процесс превращения протона в нейтрон, позитрон и нейтрино, в результате которого 4 протона превращаются в 4 He два позитроны и два нейтрино. Этот процесс служит основным источником энергии для Солнца и большинства звезд (см. Водородный цикл). Процессы слабого взаимодействия важны для эволюции звезд, поскольку они обусловливают потери энергии очень горячих звезд во взрывах сверхновых с образованием пульсаров и т.д. Если бы не было слабого взаимодействия в природе были бы стабильны и широко распространены в обычной веществе мюоны, пи-мезоны и другие частицы. Столь важная роль слабого взаимодействия повязна с тем, что она не подчиняется ряду запретов, характерных для сильного и елетромагнитнои взаимодействий. В частности, слабое взаимодействие превращает заряженные лептоны в нейтрино, а кварки одного аромата – в кварки другое.

Урок-лекция объяснения нового материала, 2 ч. 11-й класс

Сегодня мы рассмотрим ещё один, 4-й, тип фундаментальных взаимодействий, несводимый ни к одному из названных, – слабое взаимодействие . Узнаем поразительный факт, что на малых расстояниях слабое взаимодействие становится неотличимым от электромагнитного.

Слабое взаимодействие. Слабым это взаимодействие называется неслучайно. Во-первых, его проявления редко встречаются в нашей повседневной жизни, тогда как мы давно привыкли к различным проявлениям гравитационного и электромагнитного взаимодействий (например, падение всех тел на Землю, трение, молния и др.), к результатам действия ядерных сил, обеспечивающих стабильность окружающего нас вещества. Во-вторых, это взаимодействие действительно является слабым, т.к. его интенсивность при низких энергиях, не превышающих 1 ГэВ – энергии покоя протона, – в миллиарды раз меньше, чем интенсивность сильного и электромагнитного взаимодействий.

Кроме того, опыт показывает, что сильное и электромагнитное взаимодействия могут обеспечивать как различные превращения частиц, так и целостность какого-то материального объекта (например, сильное взаимодействие обеспечивает целостность ядра, электромагнитное взаимодействие – целостность кристаллической решётки). Силы слабого взаимодействия не хватает, чтобы удерживать частицы друг около друга (т.е. образовывать связанные состояния). Оно может проявляться только при распадах и взаимных превращениях частиц.

Несмотря на все «слабости» слабого взаимодействия, оно имеет очень большое значение. Именно это взаимодействие на микроуровне отвечает за выделение энергии в звёздах, в том числе и на Солнце. Можно сказать, что мы в прямом смысле не можем жить без этого взаимодействия! Кроме того, известный вам -распад радиоактивных ядер также происходит за счёт слабого взаимодействия.

Итак, каковы основные свойства слабого взаимодействия?

– Слабое взаимодействие при низких энергиях гораздо слабее сильного и электромагнитного взаимодействий;

– слабое взаимодействие является короткодействующим: радиус его действия порядка 10 –18 м;

– слабое взаимодействие универсально: в нём участвуют практически все частицы, кроме фотонов. Кроме того, есть частицы, которые участвуют только в слабом взаимодействии, например, нейтрино и антинейтрино ;

– при слабом взаимодействии не выполняются некоторые, казалось бы, всеобщие законы сохранения (этот вопрос рассмотрен в материале для самостоятельного изучения, см. далее).

Как известно, каждое из взаимодействий осуществляется посредством особых элементарных частиц – переносчиков того или иного взаимодействия. Например, фотоны – переносчики электромагнитного взаимодействия, глюоны – переносчики сильного взаимодействия. В настоящее время учёные пытаются открыть переносчиков гравитационного взаимодействия – гравитоны.

Переносчиками слабого взаимодействия являются промежуточные векторные бозоны . Их известно 3 вида: W – , W + , Z 0 . Эти частицы имеют очень большие массы: m W 85m p , m Z 96m p , где m p – масса протона.

Опишем подробнее роль промежуточных бозонов в процессах слабого взаимодействия. Например, при -распаде кварк d из нейтрона испускает W – -бозон и превращается в кварк u , так что нейтрон превращается в протон: d u + W – , – а затем W – -бозон распадается на электрон и антинейтрино: [Однако следует подчеркнуть, что из-за очень большой массы W -бозона эффективно -распад происходит так, что всё внутреннее «устройство» слабых взаимодействий не проявляется и отражается только в малой константе взаимодействия. Но если изучать процессы слабого взаимодействия при энергиях, сравнимых с массой W (т.е. порядка 100 ГэВ), то здесь вклад W -бозона отчётливо проявляется. – Ред. ]

2. Единое электрослабое взаимодействие. Дальнейшие теоретические исследования привели к тому, что картина фундаментальных взаимодействий стала упрощаться. Оказалось, что электромагнитные и слабые взаимодействия являются проявлением одного и того же взаимодействия, которое получило название электрослабого взаимодействия . Эту мысль впервые высказали (независимо друг от друга) в 1967 г. С.Вайнберг и А.Салам , выдвинув следующую гипотезу: природа слабого и электромагнитного взаимодействий едина, т.к. на малых расстояниях слабые взаимодействия сравниваются по силе с электромагнитными, и разница между промежуточными векторными бозонами и фотонами стирается . Иными словами, при энергиях, превышающих несколько сотен гигаэлектронвольт, электромагнитное и слабое взаимодействия становятся неразличимыми по интенсивности, они как бы сливаются в одно электрослабое взаимодействие.

Заметим, что Вайнберг и Салам опирались на высказанное ранее предположение, что переносчиками слабого взаимодействия являются промежуточные векторные бозоны. Экспериментально эти частицы были открыты гораздо позже (в 1983 г.).

3. Обоснование гипотезы Вайнберга–Салама. Вайнберг и Салам пришли к выводу о существовании единого электрослабого взаимодействия на основе новых фундаментальных физических идей:
1) локальной калибровочной инвариантности ;
2) спонтанного нарушения симметрии.

Из гипотезы следует, что на малых расстояниях промежуточные векторные бозоны не отличаются по своим свойствам от фотонов, а это значит, что промежуточные векторные бозоны и фотоны – это, по сути, два проявления одной и той же частицы – переносчика электрослабого взаимодействия (иначе сила взаимодействия не может быть одинаковой). Это возможно только тогда, когда выполняется принцип локальной калибровочной инвариантности (симметрии), (см. схему).

Выяснилось, что при изменении масштаба, т.е. при уменьшении расстояния, переносчики электрослабого взаимодействия переходят из одного своего проявления – фотонов – в другое свое проявление – промежуточные векторные бозоны, – но обмен ими осуществляется столь же легко.

Но тут встал новый вопрос: каким образом промежуточные векторные бозоны и фотоны могут быть проявлениями одних и тех же частиц, если у фотонов масса равна нулю, а промежуточные векторные бозоны имеют очень большие массы? Поскольку это одни и те же частицы, их массы обязаны совпадать. Казалось, что возникла безвыходная ситуация.

Оказалось, что промежуточные векторные бозоны способны приобретать свою массу в результате некоего механизма, который называется спонтанным нарушением симметрии . Этот механизм весьма сложен, но попробуем рассмотреть его суть на нескольких простых примерах.

Законы движения отдельных атомов удовлетворяют принципу пространственной симметрии, т.е. не изменяются при движении атома по различным направлениям. Но при образовании кристалла эта симметрия сама собой нарушается, и свойства кристалла по разным направлениям уже не будут одинаковыми. Таким образом, у кристалла по сравнению со свободными атомами появляется много специфических свойств, например, способность намагничиваться.

Шарик, находящийся в центре приподнятого дна бутылки, будет находиться в равновесии. Система при этом обладает осевой симметрией. Однако данное положение равновесия неустойчиво. Предоставленный самому себе шарик под влиянием сколь угодно малого возмущения скатится на вогнутое дно. Это положение шарика устойчиво, т.к. ему соответствует минимум потенциальной энергии в поле тяжести Земли. Первоначальная осевая симметрия состояния окажется спонтанно нарушенной.

Аналогично, в самых общих чертах, механизм спонтанного нарушения локальной калибровочной симметрии, которая обеспечивает «безмассовость» промежуточных векторных бозонов и их идентичность фотонам, приводит к появлению массы у промежуточных векторных бозонов и тем самым к различиям во внешнем проявлении слабого и электромагнитного взаимодействий.

Изложенные выше положения составляют единую теорию электрослабого взаимодействия . Именно из неё следовало существование трёх видов промежуточных векторных бозонов W – , W + , Z 0 , а также предсказаны значения их масс.

Экспериментальное открытие промежуточных векторных бозонов в 1983 г. подтвердило справедливость единой теории электрослабого взаимодействия. С этими экспериментами вам также предлагается ознакомиться самостоятельно (вопрос изложен в материале для самостоятельного изучения).

Таким образом, вместо четырёх фундаментальных взаимодействиях можно говорить лишь о трёх: гравитационном, сильном и электрослабом.

1. Невыполнение законов сохранения при слабом взаимодействии. Обнаружилось, что при слабом взаимодействии не выполняются некоторые, казалось бы, всеобщие законы сохранения, выполняющиеся при остальных трёх фундаментальных взаимодействиях (см. схему).

Рассмотрим законы, которые не выполняются при слабом взаимодействии.

Закон сохранения пространственной чётности (P -чётности). Говорят, что закон сохранения пространственной чётности в каком-либо процессе выполняется, если процесс является зеркально симметричным, т.е. протекает совершенно одинаково как вправо, так и влево относительно какого-то выбранного центра. Иными словами, сам процесс и его зеркальное отражение протекают абсолютно одинаково.

В 1957 г. Ц.Ву было установлено, что закон сохранения чётности не выполняется при слабых взаимодействиях. Некоторое вещество, содержащее -активный изотоп кобальта , помещалось внутрь катушки с током, создающей магнитное поле (поле необходимо для упорядочивания ориентации спинов и собственных магнитных моментов ядер). Оказалось, что по одну сторону (например, вверх) испускалось примерно на 40% больше электронов, чем по другую.

Опыт на реальной установке (вверху) и его отражение в зеркале (внизу)

При зеркальном отражении всей картины, например, относительно зеркала, располагающегося внизу, мы увидим совершенно другое явление (большинство электронов вылетают вниз, хотя поле В кругового тока по-прежнему направлено вверх). Чтобы явление -распада в зеркале протекало точно так же, должно измениться направление «преимущественного» испускания электронов (вверх). Налицо нарушение закона сохранения пространственной чётности, которого бы не было, если бы электроны с равной вероятностью испускались как вверх, так и вниз.

Явление несохранения пространственной чётности при слабом взаимодействии можно проиллюстрировать и так. Рождающиеся при слабом взаимодействии частицы (электроны, мюоны, таоны) являются продольно-поляризованными. Это означает, что они имеют собственный момент импульса – спин j , который для данной частицы всегда либо сонаправлен с импульсом частицы p , либо направлен противоположно. При зеркальном отражении у этих частиц указанные векторы меняют направление по-разному. Спин направления не меняет, а импульс – меняет. Однако частиц с полученным расположением p и j попросту не существует, поэтому в зеркале процесс протекает иначе.

Частица с продольной поляризацией: а ) падение; б ) отражение

2. Открытие промежуточных векторных бозонов. В 1983 г. существование промежуточных векторных бозонов было экспериментально подтверждено. Известно, что основным методом исследования в физике элементарных частиц является метод рассеяния, т.е. столкновение различных частиц друг с другом, в результате которого рождаются новые частицы. В последнее время широко применяются коллайдеры – ускорители, в которых сталкиваются два пучка частиц с нулевым суммарным импульсом (частицы из разных пучков имеют равные по модулю, но противоположно направленные импульсы). Говорят, что процесс рассматривается в системе центра инерции сталкивающихся частиц . Рождающиеся в коллайдере новые частицы регистрируются различными детекторами.

Итак, столкнём протонный и антипротонный пучки, в каждом из которых энергия частицы равна Е . Тогда суммарная энергия столкновения двух частиц равна 2Е . При условии 2Е > Мс 2 в этом столкновении может быть рождена частица массой М . Рассмотрим процесс: , где Х – это набор всевозможных состояний, например,

Рождение промежуточных векторных бозонов проиллюстрируем диаграммой.

Кварк u из протона и антикварк из антипротона могут слиться в W + (это показано на диаграмме). Аналогично, пары могут дать при слиянии Z 9 -бозон, пара – W – -бозон. Но, родившись, эти частицы быстро распадаются. Например, и др.

Позитрон или положительно заряженный мюон с высокой эффективностью могут быть зарегистрированы детекторами, и это будет служить признаком рождения промежуточного векторного бозона. Нейтрино при этом улетают, унося значительную часть энергии.

Экспериментальное открытие векторных промежуточных бозонов подтвердило справедливость единой теории электрослабого взаимодействия.

1. Перечислите и поясните законы сохранения, которые выполняются при слабом взаимодействии.

2. В чём суть закона сохранения пространственной чётности?

3. Поясните, каким образом было доказано невыполнение закона сохранения пространственной чётности при слабом взаимодействии. Когда и кем был проведён данный опыт?

4. Как ещё можно проиллюстрировать явление несохранения пространственной чётности при слабом взаимодействии?

5. Чем отличается закон сохранения пространственной чётности от закона сохранения комбинированной чётности? Почему нельзя говорить о его выполнимости для слабого взаимодействия?

6. Для чего были введены странность и чарм? Какие значения они могут принимать? Что можно сказать о сохранении этих величин при слабом взаимодействии?

7. Чем отличается изотопический спин от изотопического мультиплета? Приведите пример изотопического мультиплета. Всегда ли закон сохранения изоспина не выполняется при слабом взаимодействии?

8. Как вы считаете, почему до построения коллайдеров не удавалось экспериментально доказать существование промежуточных векторных бозонов?

9. Поясните процесс рождения промежуточных векторных бозонов в коллайдере.

10. Каким образом регистрируются рождающиеся в коллайдере промежуточные векторные бозоны?

Мякишев Г.Я. Элементарные частицы. – М.: Наука, 1979.

Методические указания по курсу «Физика атомного ядра и элементарных частиц»: Сост. Василевский А.С. Ч. 1, 2. – Киров: ГПИ, 1990.

Мухин К.Н. Занимательная ядерная физика. – М.: Энергоатомиздат, 1985.

Наумов А.И. Физика атомного ядра и элементарных частиц. – М.: Просвещение, 1984.

Окунь Л.Б . Физика элементарных частиц. – М.: Наука, 1988.

Орир Дж. Популярная физика. – М.: Мир, 1964.

Физика элементарных частиц. Астрофизика: Энциклопедия «Современное естествознание». Т. 4. – М.: ИД Магистр-Пресс, 2000.

Выпускник Кировского ГПУ 1996 г., учитель физики высшей квалификационной категории, педагогический стаж 9 лет, методист, к.п.н. Женат, имеет двоих детей.

Студентка 5-го курса физического факультета ВятГГУ.

Читателю знакомы разные по своей природе силы, проявляющиеся во взаимодействиях между телами. Но глубоко различающихся в принципе типов взаимодействия очень мало. Если не считать тяготения, которое играет существенную роль только в присутствии огромных масс, то известны лишь три вида взаимодействий: сильные , электромагнитные и слабые .

Электромагнитные взаимодействия всем знакомы. Благодаря им движущийся неравномерно электрический заряд (скажем, электрон в атоме) испускает электромагнитные волны (например, видимый свет). С этим классом взаимодействий связаны все химические процессы, а также все молекулярные явления - поверхностное натяжение, капиллярность, адсорбция, текучесть. Электромагнитные взаимодействия , теория которых блестяще подтверждается опытом, глубоко связаны с электрическим зарядом элементарных частиц .

Сильные взаимодействия стали известны только после раскрытия внутренней структуры атомного ядра. В 1932 г. было обнаружено, что оно состоит из нуклонов, нейтронов и протонов. И именно сильные взаимодействия соединяют нуклоны в ядре - отвечают за ядерные силы, которые в отличие от электромагнитных характеризуются очень малым радиусом действия (около 10-13, т.е. одной десятитриллионной доли сантиметра) и большой интенсивностью. Кроме этого, сильные взаимодействия появляются при столкновениях частиц высоких энергии с участием пионов и так называемых "странных" частиц .

Интенсивность взаимодействий удобно оценивать по так называемой длине свободного пробега частиц в некотором веществе, т.е. по средней величине пути, который частица может пройти в этом веществе до разрушающего или сильно отклоняющего соударения. Ясно, что чем больше длина свободного пробега, тем менее интенсивно взаимодействие.

Если рассматривать частицы очень высокой энергии, то соударения, обусловленные сильными взаимодействиями , характеризуются длиной свободного пробега частиц , соответствующей по порядку величины десяткам сантиметров в меди или железе.

Иначе обстоит дело при слабых взаимодействиях . Как мы уже сказали, длина свободного пробега нейтрино в плотном веществе измеряется в астрономических единицах. Это указывает на удивительно малую интенсивность слабых взаимодействий.

Любой процесс взаимодействия элементарных частиц характеризуется некоторым временем, определяющим его среднюю продолжительность. Процессы, вызванные слабыми взаимодействиями , часто называют "медленными", так как время для них относительно велико.

Читатель, правда, может удивиться тому, что явление, происходящее, скажем, за 10-6 (одну миллионную долю) секунды, классифицируется как медленное. Такое время жизни характерно, например, для распада мюона, вызванного слабыми взаимодействиями . Но все познается в сравнении. В мире элементарных частиц такой промежуток времени действительно весьма продолжителен. Естественной единицей длины в микромире служит 10-13 сантиметра - радиус действия ядерных сил. А так как элементарные частицы высокой энергии имеют скорость, близкую к скорости света (порядка 1010 сантиметров в секунду), то "нормальный" масштаб времени для них составит 10-23 секунды.

Это значит, что время 10-6 секунды для "граждан" микромира гораздо более продолжительно, чем для нас с вами весь период существования жизни на Земле

Слабое взаимодействие

Это взаимодействие является наиболее слабым из фундаментальных взаимодействий, экспериментально наблюдаемых в распадах элементарных частиц, где принципиально существенными являются квантовые эффекты. Напомним, что квантовые проявления гравитационного взаимодействия никогда не наблюдались. Слабое взаимодействие выделяется с помощью следующего правила: если в процессе взаимодействия участвует элементарная частица, называемая нейтрино (или антинейтрино), то данное взаимодействие является слабым.

Слабое взаимодействие гораздо интенсивнее гравитационного.

Слабое взаимодействие в отличие от гравитационного является короткодействующим. Это означает, что слабое взаимодействие между частицами начинает действовать, только если частицы находятся достаточно близко друг к другу. Если же расстояние между частицами превосходит некоторую величину, называемую характерным радиусом взаимодействия, слабое взаимодействие не проявляет себя. Экспериментально установлено, что характерный радиус слабого взаимодействия порядка 10-15 см, то есть слабое взаимодействие, сосредоточен на расстояниях меньше размеров атомного ядра.

Почему можно говорить о слабом взаимодействии как о независимом виде фундаментальных взаимодействий? Ответ прост. Установлено, что есть процессы превращений элементарных частиц, которые не сводятся к гравитационным, электромагнитным и сильным взаимодействиям. Хороший пример, показывающий, что существуют три качественно различных взаимодействия в ядерных явлениях, связан с радиоактивностью. Эксперименты указывают на наличие трех различных видов радиоактивности: a-, b и g-радиоактивных распадов. При этом a-распад обусловлен сильным взаимодействием, g-распад - электромагнитным. Оставшийся b-распад не может быть объяснен электромагнитным и сильным взаимодействиями, и мы вынуждены принять, что есть еще одно фундаментальное взаимодействие, названное слабым. В общем случае необходимость введения слабого взаимодействия обусловлена тем, что в природе происходят процессы, в которых электромагнитные и сильные распады запрещены законами сохранения.

Хотя слабое взаимодействие существенно сосредоточено внутри ядра, оно имеет определенные макроскопические проявления. Как мы уже отмечали, оно связано с процессом b-радиоактивности. Кроме того, слабое взаимодействие играет важную роль в так называемых термоядерных реакциях, ответственных за механизм энерговыделения в звездах.

Удивительнейшим свойством слабого взаимодействия является существование процессов, в которых проявляется зеркальная асимметрия. На первый взгляд кажется очевидным, что разница между понятиями левое и правое условна. Действительно, процессы гравитационного, электромагнитного и сильного взаимодействия инвариантны относительно пространственной инверсии, осуществляющей зеркальное отражение. Говорят, что в таких процессах сохраняется пространственная четность P. Однако экспериментально установлено, что слабые процессы могут протекать с несохранением пространственной четности и, следовательно, как бы чувствуют разницу между левым и правым. В настоящее время имеются твердые экспериментальные доказательства, что несохранение четности в слабых взаимодействиях носит универсальный характер, оно проявляет себя не только в распадах элементарных частиц, но и в ядерных и даже атомных явлениях. Следует признать, что зеркальная асимметрия представляет собой свойство Природы на самом фундаментальном уровне.

В электромагнитном взаимодействии участвуют все заряженные тела, все заряженные элементарные частицы. В этом смысле оно достаточно универсально. Классической теорией электромагнитного взаимодействия является максвелловская электродинамика. В качестве константы связи принимается заряд электрона e.

Если рассмотреть два покоящихся точечных заряда q1 и q2, то их электромагнитное взаимодействие сведется к известной электростатической силе. Это означает, что взаимодействие является дальнодействующим и медленно спадает с ростом расстояния между зарядами. Заряженная частица испускает фотон, в силу чего состояние ее движения изменяется. Другая частица поглощает этот фотон и также изменяет состояние своего движения. В результате частицы как бы чувствуют наличие друг друга. Хорошо известно, что электрический заряд является размерной величиной. Удобно ввести безразмерную константу связи электромагнитного взаимодействия. Для этого надо использовать фундаментальные постоянные и c. В результате приходим к следующей безразмерной константе связи, называемой в атомной физике постоянной тонкой структуры

Легко заметить, что данная константа значительно превышает константы гравитационного и слабого взаимодействий.

С современной точки зрения электромагнитное и слабое взаимодействия представляют собой различные стороны единого электрослабого взаимодействия. Создана объединенная теория электрослабого взаимодействия - теория Вайнберга-Салама-Глэшоу, объясняющая с единых позиций все аспекты электромагнитных и слабых взаимодействий. Можно ли понять на качественном уровне, как происходит разделение объединенного взаимодействия на отдельные, как бы независимые взаимодействия?

Пока характерные энергии достаточно малы, электромагнитное и слабое взаимодействия отделены и не влияют друг на друга. С ростом энергии начинается их взаимовлияние, и при достаточно больших энергиях эти взаимодействия сливаются в единое электрослабое взаимодействие. Характерная энергия объединения оценивается по порядку величины как 102 ГэВ (ГэВ - это сокращенное от гигаэлектрон-вольт, 1 ГэВ = 109 эВ, 1 эВ = 1.6·10-12 эрг = 1.6·1019 Дж). Для сравнения отметим, что характерная энергия электрона в основном состоянии атома водорода порядка 10-8 ГэВ, характерная энергия связи атомного ядра порядка 10-2 ГэВ, характерная энергия связи твердого тела порядка 10-10 ГэВ. Таким образом, характерная энергия объединения электромагнитных и слабых взаимодействий огромна по сравнению с характерными энергиями в атомной и ядерной физике. По этой причине электромагнитное и слабое взаимодействия не проявляют в обычных физических явлениях своей единой сущности.

Сильное взаимодействие

Сильное взаимодействие ответственно за устойчивость атомных ядер. Поскольку атомные ядра большинства химических элементов стабильны, то ясно, что взаимодействие, которое удерживает их от распада, должно быть достаточно сильным. Хорошо известно, что ядра состоят из протонов и нейтронов. Чтобы положительно заряженные протоны не разлетелись в разные стороны, необходимо наличие сил притяжения между ними, превосходящих силы электростатического отталкивания. Именно сильное взаимодействие является ответственным за эти силы притяжения.

Характерной чертой сильного взаимодействия является его зарядовая независимость. Ядерные силы притяжения между протонами, между нейтронами и между протоном и нейтроном по существу одинаковы. Отсюда следует, что с точки зрения сильных взаимодействий протон и нейтрон неотличимы и для них используется единый термин нуклон, то есть частица ядра.

Итак, мы сделали обзор основных сведений, касающихся четырех фундаментальных взаимодействий Природы. Кратко описаны микроскопические и макроскопические проявления этих взаимодействий, картина физических явлений, в которых они играют важную роль.