Que en varias sustancias ah contiene bastante partículas elementales, las interacciones físicas fundamentales están representadas por cuatro tipos: fuertes, electromagnéticas, débiles y gravitacionales. Este último se considera el más completo.

Todos los macrocuerpos y micropartículas, sin excepción, están sujetos a la gravedad. Absolutamente todas las partículas elementales están sujetas a la influencia gravitacional. Aparece en la forma gravedad universal. Esta interacción fundamental controla los procesos más globales que ocurren en el Universo. La gravedad proporciona estabilidad estructural sistema solar.

De acuerdo con ideas modernas, las interacciones fundamentales surgen debido al intercambio de partículas. La gravedad se forma mediante el intercambio de gravitones.

Interacciones fundamentales- gravitacionales y electromagnéticos - son de naturaleza de largo alcance. Las fuerzas correspondientes pueden manifestarse a distancias considerables. Estas interacciones fundamentales tienen sus propias características.

Descrito por cargas del mismo tipo (eléctricas). En este caso, las cargas pueden tener valores tanto positivos como signo negativo. Las fuerzas electromagnéticas, a diferencia de la gravedad, pueden actuar como fuerzas repulsivas y atractivas. Esta interacción provoca sustancias químicas y propiedades físicas diversas sustancias, materiales, tejidos vivos. Las fuerzas electromagnéticas impulsan equipos tanto electrónicos como eléctricos, conectando partículas cargadas entre sí.

Las interacciones fundamentales se conocen más allá de un pequeño círculo de astrónomos y físicos en en diferentes grados.

A pesar de ser menos famoso (en comparación con otros tipos), fuerzas débiles jugar papel importante en la vida del Universo. Entonces, si no hubiera una interacción débil, las estrellas y el Sol se apagarían. Estas fuerzas son de corto alcance. El radio es aproximadamente mil veces menor que el de las fuerzas nucleares.

Fuerzas nucleares son considerados los más poderosos de los demás. La interacción fuerte determina los enlaces sólo entre hadrones. Las fuerzas nucleares que actúan entre nucleones son su manifestación. aproximadamente cien veces más potente que el electromagnético. A diferencia del gravitacional (como, de hecho, del electromagnético), es de corto alcance a una distancia de más de 10 a 15 m. Además, se puede describir utilizando tres cargas que forman combinaciones complejas.

Se considera el rango la característica más importante interacción fundamental. El radio de acción es la distancia máxima que se forma entre partículas. Fuera de esto, la interacción puede descuidarse. Un radio pequeño caracteriza la fuerza como de acción corta, radio grande- tan de largo alcance.

Como se señaló anteriormente, las interacciones débiles y fuertes se consideran de corto alcance. Su intensidad disminuye bastante rápidamente a medida que aumenta la distancia entre las partículas. Estas interacciones se manifiestan a pequeñas distancias inaccesibles a la percepción a través de los sentidos. En este sentido, estas fuerzas se descubrieron mucho más tarde que las demás (sólo en el siglo XX). En este caso, bastante complejo. instalaciones experimentales. gravitacional y tipos electromagnéticos Las interacciones fundamentales se consideran de largo alcance. Se caracterizan por una lenta disminución a medida que aumenta la distancia entre las partículas y no están dotados de un rango de acción finito.

Hay cuatro interacciones físicas principales que determinan la estructura de nuestro mundo: fuerte, débil, electromagnética y gravitacional.

1. Interacciones fuertes ocurren a nivel de los núcleos atómicos y representan Atracción mútua sus partes mutuas. Actúan a distancias de aproximadamente 10 -13 cm. Una de las manifestaciones. interacciones fuertes - fuerzas nucleares. Las interacciones fuertes fueron descubiertas por E. Rutherford en 1911, simultáneamente con el descubrimiento del núcleo atómico. Los portadores de interacciones fuertes son gluones. Las fuerzas nucleares no dependen de la carga de las partículas. En interacciones fuertes la magnitud de la carga se conserva.

2. Interacción electromagnética 100-1000 veces más débil
interacción fuerte, pero de mayor alcance. Característica de las partículas cargadas eléctricamente. El portador de interacción electromagnética es aquel que no tiene carga. fotón– cuanto del campo electromagnético. En el proceso de interacción electromagnética, los electrones y núcleos atómicos se combinan en átomos y los átomos en moléculas. La interacción electromagnética está asociada con campos eléctricos y magnéticos. Un campo eléctrico surge en presencia de cargas eléctricas y un campo magnético cuando se mueven. Varios estados de agregación sustancias, el fenómeno de fricción, la elasticidad y otras propiedades de una sustancia están determinadas principalmente por fuerzas interacción intermolecular, que es de naturaleza electromagnética. La interacción electromagnética se describe mediante las leyes fundamentales de la electrostática y la electrodinámica: ley de Coulomb, ley de Ampere, etc. descripción general da teoría electromagnética maxwell basado en ecuaciones fundamentales, conectando campos eléctricos y magnéticos.

3. Interacciones débiles más débil que el electromagnético. Su radio de acción es de 10 -15 - 10 -22 cm. La interacción débil está asociada con la desintegración de partículas, por ejemplo, con la transformación de un protón en neutrón, positrón y neutrino que se produce en el núcleo. El neutrino emitido tiene un enorme poder de penetración: atraviesa una placa de hierro de miles de millones de kilómetros de espesor. En interacciones débiles, la carga de las partículas cambia. La interacción débil no es una interacción de contacto, sino que se lleva a cabo mediante el intercambio de partículas pesadas intermedias. bosones.

4. Interacción gravitacional Característica de todos los objetos materiales, independientemente de su naturaleza. Consiste en la atracción mutua de los cuerpos y está determinada por la ley fundamental de la gravitación universal: entre dos cuerpos puntuales la fuerza de atracción actúa directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas. La interacción gravitacional determina la caída de los cuerpos en el campo de las fuerzas gravitacionales de la Tierra. La ley de la gravitación universal describe, por ejemplo, el movimiento de los planetas del sistema solar y de diversos macroobjetos. Se supone que la interacción gravitacional es causada por ciertas partículas elementales: gravitones, cuya existencia aún no ha sido confirmada experimentalmente.

La interacción gravitacional es muchas veces más débil que la interacción electromagnética. No se tiene en cuenta en la teoría de las partículas elementales, ya que a distancias características del orden de 10 a 13 cm produce efectos extremadamente pequeños. Sin embargo, a distancias ultracortas (10-33 cm) y a energías ultraaltas, la gravedad vuelve a ser significativa. Super pesado partículas virtuales crean un campo gravitacional notable a su alrededor, que distorsiona la geometría del espacio. EN escala cósmica La interacción gravitacional tiene crucial. Su rango de acción no está limitado.

El tiempo durante el cual se produce la transformación de las partículas elementales depende de la fuerza de interacción. Las reacciones nucleares asociadas con interacciones fuertes ocurren dentro de 10 -24 - 10 -23 s. Este es aproximadamente el intervalo de tiempo más corto durante el cual una partícula, acelerada a altas energías, a una velocidad cercana a la de la luz, pasa a través de una partícula elemental con un tamaño del orden de 10 a 13 cm. Se producen cambios debido a interacciones electromagnéticas. dentro de 10-19 - 10 -21 s, y los débiles (por ejemplo, la desintegración de partículas elementales), principalmente 10 -10 s.

Las cuatro interacciones son necesarias y suficientes para construir un mundo diverso. Sin interacciones fuertes, los núcleos atómicos no existirían. Sin interacciones electromagnéticas no habría átomos, ni moléculas, ni objetos macroscópicos, ni calor ni luz. Sin interacciones débiles no sería posible reacciones nucleares En las profundidades del Sol y las estrellas no se producirían llamaradas. supernovas y necesario para la vida elementos pesados no podría extenderse por todo el Universo. Sin interacción gravitacional no sólo no existirían galaxias, estrellas, planetas, sino que todo el Universo no podría evolucionar, ya que la gravedad es un factor unificador que asegura la unidad del Universo en su conjunto y su evolución.

La física moderna ha llegado a la conclusión de que las cuatro interacciones fundamentales necesarias para crear un mundo material complejo y diverso a partir de partículas elementales pueden obtenerse a partir de una interacción fundamental: la superfuerza. El logro más sorprendente fue la prueba de que, con muy altas temperaturas(o energías) las cuatro interacciones se combinan en una. A una energía de 100 GeV se combinan interacciones electromagnéticas y débiles. Esta temperatura corresponde a la temperatura del Universo 10 -10 s después Big Bang. Con una energía de 10 15 GeV, se unen a una fuerte interacción, y con una energía de 10 19 GeV, las cuatro interacciones se combinan.

Esta suposición es puramente teórica, ya que experimentalmente es imposible comprobarlo. Estas ideas se ven confirmadas indirectamente por datos astrofísicos, que pueden considerarse material experimental acumulado por el Universo.

• Traducción

El autor del artículo es Don Lincoln, científico senior del laboratorio Fermilab LHC, que opera bajo los auspicios del Departamento de Energía de Estados Unidos. Recientemente escribí el libro "Gran Colisionador de Hadrones: La extraordinaria historia del bosón de Higgs y otras cosas que te sorprenderán".

La ciencia tiene una relación compleja con Internet: la ciencia avanza a través de una evaluación cuidadosa y cuidadosa de los datos y la teoría, un proceso que puede llevar años. Y en Internet, la capacidad de concentración del público recuerda al pez Dory de Disney de la caricatura "Buscando a Nemo" (y ahora "Buscando a Dory") - aquí hay un meme, aquí hay una foto de una estrella... Oh, mira - un gato gracioso...

Por lo tanto, las personas interesadas en la ciencia seria deben tener cuidado con la información publicada en Internet que afirme investigación científica, cambiando radicalmente el paradigma de la ciencia. Un ejemplo reciente es un artículo que afirma el posible descubrimiento de una quinta fuerza fundamental. Si este fuera el caso, tendríamos que reescribir los libros de texto.

Como físico, quiero arrojar luz científica disciplinada sobre esta afirmación.

Quinta interacción

En un artículo presentado a arXiv el 7 de abril de 2015, un grupo de investigadores húngaros describió el estudio del comportamiento de un intenso haz de protones sobre objetivos delgados de litio. Las colisiones detectadas crearon núcleos excitados de berilio-8, que se desintegraron en pares ordinarios de berilio-8 y electrón-positrón.

Afirmaron que los datos que obtuvieron no pueden explicarse por hechos conocidos. fenomeno fisico en el modelo Estándar, recarga física moderna partículas. Pero una explicación para estos datos fue posible con la existencia de una partícula hasta ahora desconocida con una masa de 17 millones de eV, que es 32,7 veces más pesada que un electrón, o el 2% de la masa de un protón. Se han estudiado bien las partículas que aparecen con energías de este tipo, que son bastante bajas según los estándares modernos. Y sería bastante inesperado que se descubriera uno nuevo allí.

Sin embargo, las mediciones fueron pospuestas. evaluación de expertos y fueron publicados el 26 de enero de 2016 en la revista Physical Review Letters, uno de los más revistas prestigiosas en la física mundial. Con esta publicación, los investigadores y su estudio han superado un obstáculo impresionante.

Esta medida pasó poco desapercibida hasta que un grupo de físicos teóricos de la Universidad de California, Irvine (UCI) la notó. Y como suelen hacer los teóricos con los temas controvertidos. medidas fisicas, el equipo los comparó con el trabajo existente recopilado durante los últimos cien años para ver si los nuevos datos coincidían con los que ya información recopilada. En este caso, lo compararon con una docena de estudios publicados.

Descubrieron que, aunque las mediciones no entraban en conflicto con estudios anteriores, observaron algo que no se había visto antes y algo que el modelo estándar no podía explicar.

Nueva plataforma teórica

Esta teoría es muy exótica. Comenzaron con la suposición razonable de que la teoría existente no explicaba la nueva partícula posible. Esto tiene sentido porque la posible nueva partícula baja masa, y si hubiera sido descrito según las leyes conocidas de la física, se habría encontrado antes. Si esta partícula obedece a nuevas leyes de la física, puede haber una nueva fuerza presente. Dado que los físicos tradicionalmente hablan de las cuatro fuerzas fundamentales conocidas (gravedad, electromagnetismo, fuerte y débil), esta nueva fuerza hipotética se denominó “quinta”.

La historia de las teorías y descubrimientos de la quinta interacción es bastante diversa, se remonta a varias décadas atrás, y dentro de su marco surgieron nuevas dimensiones e ideas para desaparecer más tarde. Por otro lado, hay misterios que la física convencional no puede explicar, como la materia oscura. Aunque la materia oscura siempre ha sido modelada como la única forma Para una partícula masiva estable que experimenta gravedad y ninguna de las otras fuerzas conocidas, no hay ninguna razón por la que la materia oscura no participe en interacciones que la materia ordinaria no participa. Después de todo, la materia ordinaria participa en interacciones en las que la materia oscura no participa, por lo que no hay nada estúpido aquí.

Hay muchas ideas sobre interacciones que sólo afectan a la materia oscura, y todas se denominan genéricamente " materia oscura compleja"Una de las ideas más conocidas habla de la existencia de un fotón oscuro que interactúa con una carga oscura transportada únicamente por la materia oscura. Esta partícula es un análogo oscuro de un fotón de materia ordinaria que interactúa con la carga eléctrica que conocemos, pero con una excepción: algunas teorías del complejo materia oscura dan masa a los fotones oscuros, a diferencia de los fotones ordinarios.

Si existen fotones oscuros, pueden unirse a la materia ordinaria (y a los fotones ordinarios) y descomponerse en pares electrón-positrón, lo que estudió un grupo de científicos húngaros. Dado que los fotones oscuros no interactúan con la carga eléctrica ordinaria, esta conexión sólo puede surgir a través de peculiaridades. mecánica cuántica. Pero si los científicos han comenzado a ver un aumento en los pares electrón-positrón, esto puede significar que están observando fotones oscuros.

El grupo de Irvine encontró un modelo que involucraba una partícula "protofóbica", no descartada por las primeras mediciones, que podría explicar el resultado húngaro. Las partículas "protofóbicas", es decir, "que evitan los protones", rara vez o casi nunca interactúan con los protones, pero pueden interactuar con los neutrones (neutrófilos).

La partícula propuesta por el grupo Irwin está implicada en una quinta fuerza desconocida que se produce a una distancia de 12 femtómetros, o 12 veces el tamaño de un protón. La partícula es protofóbica y neutrofílica. La masa de la partícula es de 17 millones de eV y puede descomponerse en pares electrón-positrón. Además de explicar el experimento húngaro, una partícula de este tipo podría explicar algunas de las inconsistencias encontradas en otros experimentos. Esto último añade un poco de peso a la idea.

¿Interacción que cambia el paradigma?

¿Qué podría ser verdad? Los datos son el rey. Se necesitarán más experimentos para confirmar o refutar los cambios. Todo lo demás no importa. Pero esto llevará alrededor de un año y sería bueno tener alguna idea durante este tiempo. La mejor manera Estimar la probabilidad de que un descubrimiento sea real es examinar la reputación de los investigadores involucrados en el experimento. Esta es, por supuesto, una forma vulgar de hacer ciencia, pero puede atenuar sus expectativas.

Comencemos con el grupo de Irvine. Muchos de ellos (especialmente los gerentes) tienen buena reputación y son expertos establecidos en el campo, y tienen una buen trabajo. La edad del grupo varía, hay participantes tanto mayores como más jóvenes. Conozco a algunos de ellos personalmente, dos de ellos leyeron las partes teóricas en los capítulos del libro que escribí para asegurarse de que no dije nada estúpido allí (por cierto, no encontraron ningún error, pero me ayudaron). aclarar algunos puntos). Esto explica mi respeto por los miembros del grupo de Irvine, aunque también puede hacer que sea parcial. Estoy bastante seguro de que su trabajo al comparar el nuevo modelo con los datos existentes fue exhaustivo y profesional. Descubrieron una pequeña e inexplorada región de posibles teorías.

Por otra parte, la teoría en sí es bastante especulativa e improbable. Esto no es un veredicto; esto se puede decir de todas las teorías. Después de todo, el modelo estándar, que rige la física de partículas, se conoce desde hace 50 años y está bien estudiado. Además, todas las teorías nuevas son especulativas e improbables, y la mayoría de ellas son incorrectas. Esto tampoco es una oración. Hay muchas formas de agregar revisiones a las teorías existentes para explicar nuevos fenómenos. Y no todo el mundo puede ser sincero. Y a veces ninguna de las teorías propuestas resulta correcta.

Sin embargo, se puede concluir, basándose en la reputación de los miembros del grupo, que se les ocurrió Idea Nueva y lo comparó con todos los datos relevantes. El hecho de que publicaron su modelo significa que pasó sus pruebas y sigue siendo una posibilidad plausible, aunque poco probable.

¿Qué pasa con el grupo húngaro? No conozco personalmente a ninguno de ellos, pero el artículo se publicó en Physical Review Letters; esto ya es una ventaja para ellos. Sin embargo, el grupo publicó dos artículos anteriores que observaron anomalías similares, incluida una posible partícula de 12 millones de eV y una partícula de 14 millones de eV. Ambos trabajos fueron refutados por otros experimentos.

Además, el grupo húngaro nunca explicó qué causó los errores en las obras refutadas. Otra señal de alerta es que el grupo rara vez publica datos que no contengan anomalías. Esto es poco probable. En mi carrera investigadora, la mayoría de las publicaciones han confirmado teorías existentes. Las anomalías repetidas son muy raras.

Entonces, ¿cuál es el resultado final? ¿Deberíamos alegrarnos de un nuevo posible descubrimiento? Bueno, por supuesto, los posibles descubrimientos siempre son interesantes. El Modelo Estándar ha resistido pruebas durante 50 años, pero todavía hay misterios sin explicación y la comunidad científica siempre está buscando descubrimientos que apunten a teorías nuevas y no probadas. Pero, ¿cuáles son las posibilidades de que esta medición y teoría lleven a la comunidad científica a aceptar la existencia de una quinta fuerza con un alcance de 12 fm y una partícula que evita los protones? Me parece que hay pocas posibilidades. No soy optimista sobre la idea.

Por supuesto, una opinión es sólo una opinión, aunque sea informativa. Otros experimentos también buscarán fotones oscuros, porque incluso si las mediciones húngaras no superan las pruebas, el problema de la materia oscura seguirá existiendo. Muchos experimentos en busca de fotones oscuros estudiarán los mismos parámetros espaciales (energía, masa y modos de desintegración) en los que, según los investigadores húngaros, se encontró la anomalía. Pronto sabremos dentro de un año si esta anomalía fue un descubrimiento o simplemente otro problema técnico que sacudió temporalmente a la comunidad, solo para ser descartado una vez que haya datos más precisos disponibles. Pero no importa cómo termine, el resultado seguirá siendo una ciencia mejorada.

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1.1. Gravedad.

1.2. Electromagnetismo.

1.3. Interacción débil.

1.4. El problema de la unidad de la física.

2. Clasificación de partículas elementales.

2.1. característica partículas subatómicas.

2.2. leptones.

2.3. Hadrones.

2.4. Las partículas son portadoras de interacciones.

3. Teorías de partículas elementales.

3.1. Electrodinámica cuántica.

3.2. Teoría de los quarks.

3.3. Teoría de la interacción electrodébil.

3.4. Cromodinámica cuántica.

3.5. En camino a la gran unificación.

Bibliografía.

Introducción.

A mediados y segunda mitad del siglo XX se obtuvieron resultados realmente sorprendentes en aquellas ramas de la física que estudian la estructura fundamental de la materia. En primer lugar, esto se manifestó en el descubrimiento de una gran cantidad de nuevas partículas subatómicas. Suelen denominarse partículas elementales, pero no todas son verdaderamente elementales. Muchos de ellos, a su vez, están formados por partículas aún más elementales. El mundo de las partículas subatómicas es verdaderamente diverso. Estos incluyen protones y neutrones que forman los núcleos atómicos, así como electrones que orbitan alrededor de los núcleos. Pero también hay partículas que prácticamente nunca se encuentran en la materia que nos rodea. Su vida útil es extremadamente corta, apenas fracciones de segundo. Después de este tiempo extremadamente corto, se desintegran en partículas ordinarias. Hay una cantidad sorprendente de estas partículas inestables y de vida corta: ya se conocen varios cientos de ellas. En las décadas de 1960 y 1970, los físicos estaban completamente desconcertados por el número, la variedad y la extrañeza de las partículas subatómicas recién descubiertas. Parecía que no había fin para ellos. No está del todo claro por qué hay tantas partículas. ¿Son estas partículas elementales fragmentos de materia caóticos y aleatorios? ¿O tal vez contienen la clave para comprender la estructura del Universo? El desarrollo de la física en las décadas siguientes demostró que no hay dudas sobre la existencia de tal estructura. A finales del siglo XX. La física está empezando a comprender el significado de cada una de las partículas elementales. El mundo de las partículas subatómicas se caracteriza por un orden profundo y racional. Este orden se basa en interacciones físicas fundamentales.

1. Interacciones físicas fundamentales.

En tus La vida cotidiana una persona se enfrenta a muchas fuerzas que actúan sobre su cuerpo. Aquí está la fuerza del viento o el flujo de agua, la presión del aire, la poderosa liberación de sustancias químicas explosivas, la fuerza muscular humana, el peso de objetos pesados, la presión de los cuantos de luz, la atracción y repulsión de cargas eléctricas, ondas sísmicas, provocando en ocasiones destrucción catastrófica y erupciones volcánicas que provocaron la muerte de la civilización, etc. Algunas fuerzas actúan directamente al contacto con el cuerpo, otras, por ejemplo, la gravedad, actúan a distancia, a través del espacio. Pero, como resultado del desarrollo de las ciencias naturales teóricas, a pesar de una diversidad tan grande, todas las fuerzas que actúan en la naturaleza pueden reducirse a sólo cuatro interacciones fundamentales. Son estas interacciones las que en última instancia son responsables de todos los cambios en el mundo; son la fuente de todas las transformaciones de los cuerpos y los procesos. El estudio de las propiedades de las interacciones fundamentales es tarea principal física moderna.

Gravedad.

En la historia de la física, la gravedad (gravedad) se convirtió en la primera de las cuatro interacciones fundamentales en ser objeto de investigación científica. Tras su aparición en el siglo XVII. La teoría de la gravedad de Newton, la ley de la gravitación universal, logró por primera vez comprender el verdadero papel de la gravedad como fuerza de la naturaleza. La gravedad tiene una serie de características que la distinguen de otras interacciones fundamentales. La característica más sorprendente de la gravedad es su baja intensidad. La magnitud de la interacción gravitacional entre los componentes de un átomo de hidrógeno es 10n, donde n = - 3 9, basado en la fuerza de interacción de las cargas eléctricas. (Si las dimensiones del átomo de hidrógeno estuvieran determinadas por la gravedad y no por la interacción entre cargas eléctricas, entonces la órbita más baja (más cercana al núcleo) del electrón sería más grande que la parte observable del Universo.) ( Si las dimensiones del átomo de hidrógeno estuvieran determinadas por la gravedad y no por la interacción entre cargas eléctricas, entonces la órbita del electrón más baja (la más cercana al núcleo) sería mayor que la parte observable del Universo. Puede parecer sorprendente que sintamos la gravedad, ya que es muy débil. ¿Cómo puede convertirse en la fuerza dominante del Universo? Se trata de la segunda característica sorprendente de la gravedad: su universalidad. Nada en el Universo está libre de gravedad. Cada partícula experimenta la acción de la gravedad y es en sí misma una fuente de gravedad. Dado que cada partícula de materia ejerce una atracción gravitacional, la gravedad aumenta a medida que se forman acumulaciones de materia más grandes. Sentimos la gravedad en la vida cotidiana porque todos los átomos de la Tierra trabajan juntos para atraernos. Y aunque el efecto de la atracción gravitacional de un átomo es insignificante, la fuerza de atracción resultante de todos los átomos puede ser significativa. La gravedad es una fuerza de la naturaleza de largo alcance. Esto significa que, aunque la intensidad de la interacción gravitacional disminuye con la distancia, se propaga en el espacio y puede afectar a cuerpos muy alejados de la fuente. A escala astronómica, las interacciones gravitacionales tienden a desempeñar un papel importante. Gracias a su acción de largo alcance, la gravedad evita que el Universo se desmorone: mantiene los planetas en órbitas, las estrellas en las galaxias, las galaxias en cúmulos, los cúmulos en la Metagalaxia. La fuerza gravitacional que actúa entre partículas es siempre una fuerza de atracción: tiende a acercar las partículas. La repulsión gravitacional nunca antes se había observado (aunque en las tradiciones de la mitología cuasi científica existe todo un campo llamado levitación: la búsqueda de los "hechos" de la antigravedad). Dado que la energía almacenada en cualquier partícula es siempre positiva y le confiere una masa positiva, las partículas bajo la influencia de la gravedad siempre tienden a acercarse. ¿Qué es la gravedad, un determinado campo o una manifestación de la curvatura del espacio-tiempo? Todavía no hay una respuesta clara a esta pregunta. Como ya hemos señalado, existen diferentes opiniones y conceptos de los físicos al respecto.

Electromagnetismo.

Por tamaño fuerzas electricas muy superior a la gravedad. A diferencia de la interacción gravitacional débil, las fuerzas eléctricas que actúan entre cuerpos de tamaño normal se pueden observar fácilmente. El electromagnetismo es conocido por el hombre desde tiempos inmemoriales (auroras, relámpagos, etc.). Durante mucho tiempo los procesos eléctricos y magnéticos se estudiaron de forma independiente. Como ya sabemos, el paso decisivo en el conocimiento del electromagnetismo se dio a mediados del siglo XIX. J.C. Maxwell, quien combinó la electricidad y el magnetismo en una teoría unificada del electromagnetismo: la primera teoría de campo unificado. La existencia del electrón quedó firmemente establecida en los años 90 del siglo pasado. Ahora se sabe que carga eléctrica cualquier partícula de materia es siempre un múltiplo de la unidad fundamental de carga: una especie de "átomo" de carga. Por qué esto es así es una pregunta extremadamente interesante. Sin embargo, no todas las partículas materiales son portadoras de carga eléctrica. Por ejemplo, el fotón y el neutrino son eléctricamente neutros. En este sentido, la electricidad se diferencia de la gravedad. Todas las partículas materiales crean un campo gravitacional, mientras que con campo electromagnetico Sólo se unen partículas cargadas. Al igual que las cargas eléctricas, los polos magnéticos se repelen y los opuestos se atraen. Sin embargo, a diferencia de las cargas eléctricas, los polos magnéticos no se encuentran individualmente, sino sólo en pares. Polo Norte y el polo sur. Desde la antigüedad se conocen intentos de obtener, dividiendo un imán, un solo polo magnético aislado: un monopolo. Pero todos terminaron en fracaso. Quizás la existencia de zonas aisladas polos magnéticos imposible en la naturaleza? Aún no hay una respuesta definitiva a esta pregunta. Algunos conceptos teóricos permiten la posibilidad de un monopolo. Al igual que las interacciones eléctricas y gravitacionales, la interacción de los polos magnéticos obedece a la ley del cuadrado inverso. En consecuencia, las fuerzas eléctricas y magnéticas son de “largo alcance” y su efecto se siente a grandes distancias de la fuente. Por tanto, el campo magnético de la Tierra se extiende hasta el espacio exterior. El poderoso campo magnético del Sol llena todo el Sistema Solar. También hay campos magnéticos galácticos. La interacción electromagnética determina la estructura de los átomos y es responsable de la gran mayoría de los procesos físicos y fenómenos químicos y procesos (excepto nucleares).

Interacción débil.

La física ha avanzado lentamente hacia la identificación de la existencia de la interacción débil. La fuerza débil es responsable de la desintegración de las partículas; y por tanto su manifestación se confrontó con el descubrimiento de la radiactividad y el estudio de la desintegración beta. La desintegración beta se encontró en el grado más alto característica extraña. La investigación llevó a la conclusión de que esta descomposición viola una de las leyes fundamentales de la física: la ley de conservación de la energía. Parecía que en esta decadencia parte de la energía desaparecía en alguna parte. Para “salvar” la ley de conservación de la energía, W. Pauli sugirió que junto con el electrón, durante la desintegración beta, se emite otra partícula. Es neutral y tiene una capacidad de penetración inusualmente alta, por lo que no pudo ser observado. E. Fermi llamó a la partícula invisible "neutrino". Pero la predicción y detección de neutrinos es sólo el comienzo del problema, su formulación. Era necesario explicar la naturaleza de los neutrinos, pero aún quedaba mucho misterio aquí. El hecho es que tanto los electrones como los neutrinos fueron emitidos por núcleos inestables. Pero quedó irrefutablemente demostrado que no existen tales partículas dentro de los núcleos. ¿Cómo surgieron? Se ha sugerido que los electrones y neutrinos no existen en el núcleo en " forma terminada", pero de alguna manera se forman a partir de la energía de un núcleo radiactivo. Investigaciones posteriores demostraron que los neutrones incluidos en el núcleo, abandonados a su suerte, después de unos minutos se desintegran en un protón, un electrón y un neutrino, es decir, en lugar de una partícula, Aparecen tres nuevos. El análisis llevó a la conclusión de que fuerzas conocidas no puede causar tal desintegración. Al parecer fue generado por alguna otra fuerza desconocida. Las investigaciones han demostrado que esta fuerza corresponde a alguna interacción débil. Es mucho más débil que el electromagnético, aunque más fuerte que el gravitacional. Se propaga en distancias muy cortas. El radio de interacción débil es muy pequeño. La interacción débil se detiene a una distancia superior a 10 n cm (donde n = - 1 6) de la fuente y, por lo tanto, no puede afectar a objetos macroscópicos, sino que se limita a partículas subatómicas individuales. Posteriormente resultó que la mayoría de las partículas elementales inestables participan en interacciones débiles. La teoría de la interacción débil fue creada a finales de los años 60 por S. Weinberg y A. Salam. Desde la teoría del campo electromagnético de Maxwell, la creación de esta teoría fue el mayor paso hacia la unidad de la física. 10.

Fuerte interacción.

La última de la serie de interacciones fundamentales es la interacción fuerte, que es una fuente de enorme energía. Mayoría ejemplo típico La energía liberada por la fuerte interacción es nuestro Sol. En las profundidades del Sol y de las estrellas, a partir de un momento determinado, se producen continuamente reacciones termonucleares provocadas por fuertes interacciones. Pero el hombre también ha aprendido a generar interacciones fuertes: se ha creado una bomba de hidrógeno, se han diseñado y mejorado tecnologías para reacciones termonucleares controladas. La física llegó a la idea de la existencia de interacciones fuertes durante el estudio de la estructura del núcleo atómico. Alguna fuerza debe retener los protones en el núcleo, evitando que se dispersen bajo la influencia de la repulsión electrostática. La gravedad es demasiado débil para esto; Evidentemente, se necesita alguna interacción nueva, además, más fuerte que la electromagnética. Posteriormente fue descubierto. Resultó que, aunque la interacción fuerte supera significativamente en magnitud a todas las demás interacciones fundamentales, no se siente fuera del núcleo. Radio de acción nueva fuerza Resultó ser muy pequeño. La fuerza fuerte cae bruscamente a una distancia del protón o neutrón superior a unos 10 n cm (donde n = - 13). Además, resultó que no todas las partículas experimentan interacciones fuertes. Lo experimentan los protones y neutrones, pero los electrones, neutrinos y fotones no están sujetos a él. Sólo las partículas más pesadas participan en interacciones fuertes. Ha sido difícil desarrollar una explicación teórica de la naturaleza de la interacción fuerte. Un gran avance se produjo a principios de los años 60, cuando se propuso el modelo de quarks. En esta teoría, los neutrones y los protones no se consideran partículas elementales, sino sistemas compuestos construidos a partir de quarks. Por tanto, en las interacciones físicas fundamentales la diferencia entre fuerzas de largo y corto alcance es claramente visible. Por un lado, existen interacciones de alcance ilimitado (gravedad, electromagnetismo), y por otro, interacciones de corto alcance (fuertes y débiles). El mundo de los elementos físicos en su conjunto se desarrolla en la unidad de estas dos polaridades y es la encarnación de la unidad de lo extremadamente pequeño y lo extremadamente grande: acción de corto alcance en el micromundo y acción de largo alcance en todo el Universo.

El problema de la unidad de la física.

El conocimiento es una generalización de la realidad y, por tanto, el objetivo de la ciencia es la búsqueda de la unidad en la naturaleza, uniendo fragmentos dispares de conocimiento en una sola imagen. Para crear un sistema unificado, es necesario abrir un vínculo de conexión entre varias ramas del conocimiento, alguna relación fundamental. La búsqueda de tales conexiones y relaciones es una de las principales tareas de la investigación científica. Siempre que es posible establecer nuevas conexiones, la comprensión del mundo circundante se profundiza significativamente, se forman nuevas formas de conocimiento que señalan el camino hacia fenómenos previamente desconocidos. Establecer conexiones profundas entre diferentes áreas de la naturaleza es a la vez una síntesis de conocimiento y un método que guía la investigación científica por caminos nuevos y no transitados. El descubrimiento de Newton de la conexión entre la atracción de los cuerpos en condiciones terrestres y el movimiento de los planetas marcó el nacimiento mecanica clasica, sobre cuya base se construye la base tecnológica civilización moderna. El establecimiento de una conexión entre las propiedades termodinámicas del gas y el movimiento caótico de las moléculas dio una base sólida a la teoría atómico-molecular de la materia. A mediados del siglo pasado, Maxwell creó una teoría electromagnética unificada que cubría tanto los fenómenos eléctricos como los magnéticos. Luego, en los años 20 de nuestro siglo, Einstein intentó combinar teoría unificada Electromagnetismo y gravedad. Pero a mediados del siglo XX. La situación en física ha cambiado radicalmente: se han descubierto dos nuevas interacciones fundamentales: fuerte y débil, es decir. Al crear una física unificada, hay que tener en cuenta no dos, sino cuatro interacciones fundamentales. Esto enfrió un poco el ardor de quienes esperaban decisión rápida este problema. Pero la idea en sí no fue cuestionada seriamente y el entusiasmo por la idea de una descripción única no desapareció. Existe el punto de vista de que las cuatro (o al menos tres) interacciones representan fenómenos de la misma naturaleza y es necesario encontrar su descripción teórica unificada. La perspectiva de crear una teoría unificada del mundo de los elementos físicos basada en una única interacción fundamental sigue siendo muy atractiva. Éste es el principal sueño de los físicos del siglo XX. Pero durante mucho tiempo fue sólo un sueño, muy vago. Sin embargo, en la segunda mitad del siglo XX. Existían condiciones previas para la realización de este sueño y la confianza de que no se trataba de una cuestión de un futuro lejano. Parece que pronto podría convertirse en realidad. El paso decisivo hacia una teoría unificada se dio en los años 60 y 70. con la creación primero de la teoría de los quarks y luego de la teoría de la interacción electrodébil. Hay motivos para creer que estamos en el umbral de una unificación más poderosa y profunda que nunca. Existe una creciente creencia entre los físicos de que están comenzando a emerger los contornos de una teoría unificada de todas las interacciones fundamentales: la Gran Unificación.

2 . Clasificación de partículas elementales.

Hay 4 tipos de interacciones fundamentales que no son reducibles entre sí.

Las partículas elementales participan en todo tipo de interacciones conocidas.

Considerémoslos en orden descendente de intensidad:

1) fuerte,

2) electromagnético,

3) débil

4) gravitacional.

Fuerte interacción ocurre a nivel de los núcleos atómicos y representa la atracción mutua de sus partes constituyentes. Opera a una distancia de unos 10 -13 cm.

Como resultado, se forman fuertes interacciones. sistemas materiales Con energia alta enlaces - núcleos atómicos. Es por ello que los núcleos de los átomos son muy estables y difíciles de destruir.

Interacción electromagnética aproximadamente mil veces más débil que uno fuerte, pero actúa a distancias mucho mayores. Este tipo de interacción es característico de las partículas cargadas eléctricamente. En el proceso de interacción electromagnética, los electrones y los núcleos atómicos se combinan en átomos y los átomos en moléculas. En cierto sentido, esta interacción es fundamental en química y biología.

Interacción débil posiblemente entre diferentes partículas. Se extiende a una distancia del orden de 10 -15 -10 -22 cm y está asociado principalmente con la descomposición de partículas. Según el estado actual de los conocimientos, la mayoría de las partículas son inestables precisamente debido a la interacción débil. Como ejemplo, ¿qué sucede en el núcleo atómico? transformación de neutrones, en un protón, un electrón y un antineutrino.

Interacción gravitacional el más débil y no se tiene en cuenta en la teoría de partículas elementales, ya que produce efectos extremadamente pequeños. A escala cósmica, la interacción gravitacional tiene una importancia decisiva. Su rango de acción no está limitado.

El tiempo durante el cual se produce la transformación de las partículas elementales depende de la fuerza de interacción.

Las reacciones nucleares asociadas con interacciones fuertes ocurren dentro de 10 -24 -10 -23 s.

Los cambios causados ​​por interacciones electromagnéticas ocurren dentro de 10 -19 -10 -21 s.

La desintegración de partículas elementales asociadas con una interacción débil tarda un promedio de 10 a 21 s.

Estas cuatro interacciones son necesarias y suficientes para construir un mundo diverso.

Sin interacciones fuertes, los núcleos atómicos no existirían y las estrellas y el Sol no podrían generar energía debido a energía nuclear calidez y luz.

Sin interacciones electromagnéticas no habría átomos, ni moléculas, ni objetos macroscópicos, ni tampoco el calor y la luz.

Sin interacciones débiles, las reacciones nucleares en las profundidades del Sol y las estrellas no serían posibles, no se producirían explosiones de supernovas y los elementos pesados ​​​​necesarios para la vida no podrían extenderse por todo el Universo.

Sin interacción gravitacional, no sólo no existirían galaxias, estrellas, planetas, sino que todo el Universo no podría evolucionar, ya que la gravedad es un factor unificador que asegura la unidad del Universo en su conjunto y su evolución.

las cuatro interacciones fundamentales necesarias para crear elementos complejos y diversos a partir de partículas elementales mundo material, se puede obtener de una interacción fundamental: superpoderes .

Se ha demostrado teóricamente que a temperaturas (o energías) muy altas las cuatro interacciones se combinan en una.

A una energía de 100 GeV se combinan interacciones electromagnéticas y débiles. Esta temperatura corresponde a la temperatura del Universo en 10 -10 s. después del Big Bang.

A una energía de 1015 GeV se les une una fuerte interacción.

Con una energía de 1019 GeV se combinan las cuatro interacciones.

1 GeV = mil millones de electronvoltios

Los avances en el campo de la investigación de partículas elementales contribuyeron a un mayor desarrollo del concepto de atomismo.

Actualmente se cree que entre las muchas partículas elementales podemos distinguir 12 partículas fundamentales y la misma cantidad antipartículas .

Seis partículas son quarks con nombres exóticos:

“arriba”, “abajo”, “encantado”, “extraño”, “verdadero”, “encantador”.

Los seis restantes son leptones: electrón , muón , partícula tau y sus correspondientes neutrinos (electrones, muones, neutrinos tau).

La materia ordinaria está formada por partículas de primera generación.

Se supone que las generaciones restantes pueden crearse artificialmente en aceleradores de partículas cargadas.

Basándose en el modelo de quarks, los físicos han desarrollado modelo estructura de los átomos.

Cada átomo consta de un núcleo pesado (fuertemente unido por los campos de gluones de protones y neutrones) y una capa de electrones.

El número de protones en el núcleo es número de serie elemento en tabla periódica elementos D.I. Mendeleev.

Un protón tiene una carga eléctrica positiva, 1836 veces su masa. mas masa electrón, las dimensiones son de unos 10 -13 cm.

La carga eléctrica de un neutrón es cero.

Un protón, según la hipótesis de los quarks, consta de dos quarks "arriba" y uno "abajo", y un neutrón, de un quark "arriba" y dos "abajo". No pueden imaginarse como una bola sólida; más bien, se parecen a una nube con límites borrosos, formada por partículas virtuales que nacen y desaparecen.

Todavía quedan preguntas sin resolver sobre el origen de los quarks y los leptones, si son los principales "primeros componentes básicos" de la naturaleza y qué tan fundamentales son. Las respuestas a estas preguntas se buscan en la cosmología moderna.

De gran importancia es el estudio de los procesos de nacimiento de partículas elementales a partir del vacío y la construcción de modelos de fusión nuclear primaria que generaron determinadas partículas en el momento del nacimiento del Universo.

Las partículas son portadoras de interacciones.