Kas yra įvairių medžiagų ah yra labai daug elementariosios dalelės, pagrindines fizines sąveikas apibūdina keturi tipai: stiprioji, elektromagnetinė, silpnoji ir gravitacinė. Pastarasis laikomas išsamiausiu.

Visi be išimties makrokūnai ir mikrodalelės yra veikiami gravitacijos. Absoliučiai visos elementarios dalelės yra veikiamos gravitacijos. Jis pasirodo formoje universalioji gravitacija. Ši esminė sąveika kontroliuoja globaliausius Visatoje vykstančius procesus. Gravitacija užtikrina konstrukcijos stabilumą saulės sistema.

Pagal šiuolaikinės idėjos, esminės sąveikos atsiranda dėl dalelių mainų. Gravitacija susidaro keičiantis gravitonams.

Pagrindinės sąveikos- gravitacinis ir elektromagnetinis - yra tolimojo pobūdžio. Atitinkamos jėgos gali pasireikšti dideliais atstumais. Šios pagrindinės sąveikos turi savo ypatybes.

Apibūdinami to paties tipo (elektros) įkrovimais. Šiuo atveju mokesčiai gali turėti tiek teigiamų, tiek neigiamas ženklas. Elektromagnetinės jėgos, skirtingai nei (gravitacija), gali veikti kaip atstumiančios ir traukiančios jėgos. Ši sąveika sukelia cheminių ir fizines savybesįvairios medžiagos, medžiagos, gyvi audiniai. Elektromagnetinės jėgos varo ir elektroninę, ir elektros įrangą, jungdamos įkrautas daleles viena su kita.

Pagrindinės sąveikos žinomos ne tik nedideliam astronomų ir fizikų ratui įvairaus laipsnio.

Nepaisant to, kad yra mažiau žinomas (palyginti su kitais tipais), silpnos jėgosžaisti svarbus vaidmuo Visatos gyvenime. Taigi, jei nebūtų silpnos sąveikos, žvaigždės ir Saulė užgestų. Šios jėgos yra trumpo nuotolio. Spindulys yra maždaug tūkstantį kartų mažesnis nei branduolinių jėgų.

Branduolinės pajėgos yra laikomi galingiausiais iš kitų. Stipri sąveika lemia ryšius tik tarp hadronų. Tarp nukleonų veikiančios branduolinės jėgos yra jos pasireiškimas. maždaug šimtą kartų galingesnis už elektromagnetinį. Skirtingai nuo gravitacinio (kaip, tiesą sakant, nuo elektromagnetinio), jis yra trumpas, esant didesniam nei 10–15 m atstumui. Be to, jį galima apibūdinti naudojant tris krūvius, kurie sudaro sudėtingus derinius.

Atsižvelgiama į diapazoną svarbiausia savybė esminė sąveika. Veikimo spindulys yra didžiausias atstumas, susidarantis tarp dalelių. Be to, sąveika gali būti nepaisoma. Mažas spindulys apibūdina jėgą kaip trumpo veikimo, didelis spindulys- kaip tolimojo nuotolio.

Kaip minėta pirmiau, silpnos ir stiprios sąveikos laikomos trumpalaikėmis. Didėjant atstumui tarp dalelių, jų intensyvumas mažėja gana greitai. Šios sąveikos pasireiškia mažais atstumais, neprieinamais pojūčiais. Šiuo atžvilgiu šios jėgos buvo atrastos daug vėliau nei kitos (tik XX a.). Šiuo atveju gana sudėtinga eksperimentinės patalpos. Gravitacinės ir elektromagnetiniai tipai pagrindinės sąveikos laikomos ilgalaikėmis. Jiems būdingas lėtas mažėjimas, kai atstumas tarp dalelių didėja, ir jiems nėra suteiktas ribotas veikimo diapazonas.

Yra keturios pagrindinės fizinės sąveikos, lemiančios mūsų pasaulio struktūrą: stiprioji, silpnoji, elektromagnetinė ir gravitacinė.

1. Stiprios sąveikos atsiranda atomo branduolių lygyje ir atstovauja abipusė trauka jų tarpusavio dalys. Jie veikia maždaug 10–13 cm atstumu. Viena iš apraiškų stiprios sąveikos - branduolines pajėgas. Stiprią sąveiką E. Rutherfordas atrado 1911 metais kartu su atomo branduolio atradimu. Stiprios sąveikos nešėjai yra gliuonai. Branduolinės jėgos nepriklauso nuo dalelių krūvio. Esant stipriai sąveikai, krūvio dydis išlieka.

2. Elektromagnetinė sąveika 100-1000 kartų silpnesnis
stipri sąveika, bet ilgesnė. Būdinga elektriškai įkrautoms dalelėms. Elektromagnetinės sąveikos nešėjas yra tas, kuris neturi krūvio fotonas– elektromagnetinio lauko kvantas. Elektromagnetinės sąveikos procese elektronai ir atomų branduoliai jungiasi į atomus, o atomai į molekules. Elektromagnetinė sąveika siejama su elektriniais ir magnetiniais laukais. Elektrinis laukas atsiranda esant elektros krūviams, o jiems judant – magnetinis laukas. Įvairūs agregacijos būsenos medžiagos, trinties reiškinį, tamprumą ir kitas medžiagos savybes pirmiausia lemia jėgos tarpmolekulinė sąveika, kuris yra elektromagnetinio pobūdžio. Elektromagnetinę sąveiką apibūdina pagrindiniai elektrostatikos ir elektrodinamikos dėsniai: Kulono dėsnis, Ampero dėsnis ir kt. bendras aprašymas duoda elektromagnetinė teorija Maksvelo pagrindu pagrindines lygtis, jungiantis elektrinius ir magnetinius laukus.

3. Silpnos sąveikos silpnesnis nei elektromagnetinis. Jo veikimo spindulys yra 10 -15 - 10 -22 cm Silpna sąveika siejama su dalelių skilimu, pavyzdžiui, su branduolyje vykstančiu protono transformavimu į neutroną, pozitroną ir neutriną. Išspinduliuotas neutrinas turi didžiulę prasiskverbimo galią – jis praeina per milijardo kilometrų storio geležinę plokštę. Esant silpnai sąveikai, keičiasi dalelių krūvis. Silpna sąveika nėra kontaktinė sąveika, o vykdoma keičiantis tarpinėmis sunkiosiomis dalelėmis - bozonai.

4. Gravitacinė sąveika būdingas visiems materialiems objektams, nepaisant jų prigimties. Jis susideda iš abipusio kūnų traukos ir yra nulemtas pagrindinio visuotinės gravitacijos dėsnio: tarp dviejų taškiniai kūnai traukos jėga veikia tiesiogiai proporcingai jų masių sandaugai ir atvirkščiai proporcinga atstumo tarp jų kvadratui. Gravitacinė sąveika lemia kūnų kritimą Žemės gravitacinių jėgų lauke. Visuotinės gravitacijos dėsnis apibūdina, pavyzdžiui, Saulės sistemos planetų ir įvairių makroobjektų judėjimą. Daroma prielaida, kad gravitacinę sąveiką sukelia tam tikros elementarios dalelės - gravitonai, kurio egzistavimas dar nebuvo eksperimentiškai patvirtintas.

Gravitacinė sąveika daug kartų silpnesnė nei elektromagnetinė sąveika. Į tai neatsižvelgiama elementariųjų dalelių teorijoje, nes būdingais 10–13 cm atstumais jis sukuria ypač mažus efektus. Tačiau esant itin trumpiems atstumams (10–33 cm) ir esant itin didelei energijai, gravitacija vėl tampa reikšminga. Super sunkus virtualios dalelės aplink save sukuria pastebimą gravitacinį lauką, kuris iškreipia erdvės geometriją. IN kosminis mastelis gravitacinė sąveika turi lemiamas. Jo veikimo spektras neribojamas.

Laikas, per kurį įvyksta elementariųjų dalelių transformacija, priklauso nuo sąveikos jėgos. Branduolinės reakcijos, susijusios su stipria sąveika, įvyksta per 10 -24 - 10 -23 s. Tai apytikslis trumpiausias laiko intervalas, per kurį dalelė, pagreitinta iki didelių energijų, artimu šviesos greičiui, praeina pro elementariąją dalelę, kurios dydis yra 10–13 cm. Pokyčiai dėl elektromagnetinės sąveikos vyksta per 10-19 - 10 -21 s, o silpni (pavyzdžiui, elementariųjų dalelių skilimas) - daugiausia 10 -10 s.

Visos keturios sąveikos yra būtinos ir pakankamos, kad būtų sukurtas įvairus pasaulis. Be stiprios sąveikos atomų branduoliai neegzistuotų. Be elektromagnetinės sąveikos nebūtų nei atomų, nei molekulių, nei makroskopinių objektų, nei šilumos, nei šviesos. Be silpnos sąveikos nebūtų įmanoma branduolinės reakcijos Saulės ir žvaigždžių gelmėse pliūpsniai neatsirastų supernovos ir būtinas gyvenimui sunkūs elementai negalėjo išplisti visoje Visatoje. Be gravitacinė sąveika ne tik nebūtų galaktikų, žvaigždžių, planetų, bet ir visa Visata negalėtų vystytis, nes gravitacija yra vienijantis veiksnys, užtikrinantis visos Visatos ir jos evoliucijos vienybę.

Šiuolaikinė fizika priėjo prie išvados, kad visos keturios pagrindinės sąveikos, reikalingos sudėtingam ir įvairiapusiškam materialiam pasauliui iš elementariųjų dalelių sukurti, gali būti gaunamos iš vienos esminės sąveikos – superjėgos. Ryškiausias pasiekimas buvo įrodymas, kad su labai aukšta temperatūra(arba energijos) visos keturios sąveikos yra sujungtos į vieną. Esant 100 GeV energijai, susijungia elektromagnetinė ir silpna sąveika. Ši temperatūra atitinka Visatos temperatūrą po 10–10 s didysis sprogimas. Esant 10 15 GeV energijai, su jais susijungia stipri sąveika, o esant 10 19 GeV energijai, susijungia visos keturios sąveikos.

Ši prielaida yra grynai teorinė, nes eksperimentiškai to patikrinti neįmanoma. Šias idėjas netiesiogiai patvirtina astrofiziniai duomenys, kurie gali būti laikomi Visatos sukaupta eksperimentine medžiaga.

• Vertimas

Straipsnio autorius – JAV Energetikos departamento globojamos Fermilab LHC laboratorijos vyresnysis mokslininkas Donas Linkolnas. Neseniai parašiau knygą „Large Hadron Collider: The Extraordinary History of the Higgs Boson and Other Things That Will Amaze You“.

Mokslas turi sudėtingą ryšį su internetu: mokslas juda į priekį kruopščiai ir kruopščiai vertindamas duomenis ir teoriją – procesas gali užtrukti ne vienerius metus. O internete žiūrovų gebėjimas susikaupti primena Disnėjaus žuvį Dory iš animacinio filmo „Ieškant Nemo“ (Ir dabar „Finding Dory“) – čia memas, čia žvaigždės nuotrauka... O, žiūrėk – juokinga katė...

Todėl rimtu mokslu besidomintys žmonės turėtų saugotis internete skelbiamos informacijos moksliniai tyrimai, radikaliai keičiantis mokslo paradigmą. Naujausias pavyzdys yra straipsnis, kuriame teigiama, kad galima atrasti penktąją pagrindinę jėgą. Jei taip būtų, turėtume perrašyti vadovėlius.

Kaip fizikas, noriu disciplinuotai moksliškai apšviesti šį teiginį.

Penktoji sąveika

Straipsnyje, pateiktame arXiv 2015 m. balandžio 7 d., Vengrijos mokslininkų grupė aprašė intensyvaus protonų pluošto elgseną ant plonų ličio taikinių. Aptikti susidūrimai sukūrė sužadintus berilio-8 branduolius, kurie suskyla į įprastas berilio-8 ir elektronų-pozitronų poras.

Jie teigė, kad jų gauti duomenys negali būti paaiškinti žinomais fizikiniai reiškiniai Standartiniame modelyje pildymas šiuolaikinė fizika dalelių. Tačiau šiuos duomenis buvo galima paaiškinti tuo, kad egzistuoja iki šiol nežinoma dalelė, kurios masė yra 17 milijonų eV, kuri yra 32,7 karto sunkesnė už elektroną arba 2% protono masės. Dalelės, atsirandančios esant tokioms energijoms, kurios pagal šiuolaikinius standartus yra gana žemos, buvo gerai ištirtos. Ir būtų visai netikėta, jei ten būtų atrasta nauja.

Tačiau matavimai buvo atidėti ekspertinis vertinimas ir buvo paskelbti 2016 m. sausio 26 d. žurnale Physical Review Letters, vienas iš labiausiai prestižiniai žurnalai pasaulio fizikoje. Su šiuo leidiniu mokslininkai ir jų tyrimas įveikė įspūdingą kliūtį.

Šis matavimas buvo mažai pastebėtas, kol jo nepastebėjo Kalifornijos universiteto Irvine (UCI) teorinių fizikų grupė. Ir kaip teoretikai dažniausiai daro su prieštaringais fiziniai matavimai, komanda palygino juos su esamu darbu, surinktu per pastaruosius šimtą metų, kad išsiaiškintų, ar nauji duomenys atitinka jau esančius surinkta informacija. Šiuo atveju jie buvo lyginami su keliolika paskelbtų tyrimų.

Jie nustatė, kad nors matavimai neprieštarauja ankstesniems tyrimams, jie pastebėjo tai, ko anksčiau nematė, ir tai, ko negalėjo paaiškinti standartinis modelis.

Nauja teorinė platforma

Ši teorija yra labai egzotiška. Jie pradėjo nuo pagrįstos prielaidos, kad nauja galima dalelė nebuvo paaiškinta esama teorija. Tai prasminga, nes galima nauja dalelė maža masė, o jei jis būtų aprašytas žinomais fizikos dėsniais, būtų rastas anksčiau. Jei ši dalelė paklūsta naujiems fizikos dėsniams, gali atsirasti nauja jėga. Kadangi fizikai tradiciškai kalba apie keturias žinomas pagrindines jėgas (gravitaciją, elektromagnetizmą, stiprią ir silpną), ši nauja hipotetinė jėga buvo vadinama „penktąja“.

Penktosios sąveikos teorijų ir atradimų istorija yra gana įvairi, siekia kelis dešimtmečius, o jos rėmuose atsirado naujų dimensijų ir idėjų, kurios vėliau išnyko. Kita vertus, yra paslapčių, kurių neįmanoma paaiškinti įprastine fizika, pavyzdžiui, tamsioji medžiaga. Nors tamsioji medžiaga visada buvo modeliuojama kaip vienintelė forma Dėl stabilios masyvios dalelės, patiriančios gravitaciją ir neturinčias jokių kitų žinomų jėgų, nėra jokios priežasties, kodėl tamsioji materija nedalyvautų sąveikose, kurių nedaro įprasta medžiaga. Juk įprasta materija dalyvauja sąveikose, kuriose tamsioji materija nedalyvauja – taigi, nieko čia kvailo.

Yra daug idėjų apie sąveiką, turinčią įtakos tik tamsiajai medžiagai, ir visos jos paprastai vadinamos " sudėtinga tamsioji medžiaga"Viena iš gerai žinomų idėjų kalba apie tamsaus fotono, sąveikaujančio su tamsiuoju krūviu, kurį neša tik tamsioji medžiaga, egzistavimą. Ši dalelė yra tamsus analogas įprastos materijos fotono, sąveikaujančio su mums žinomu elektros krūviu, bet su viena išimtis: kai kurios sudėtingos teorijos tamsioji medžiaga suteikia tamsių fotonų masę, skirtingai nei paprasti fotonai.

Jei tamsieji fotonai egzistuoja, jie gali prisijungti prie įprastos medžiagos (ir paprastų fotonų) ir suirti į elektronų-pozitronų poras, kurias tyrinėjo grupė Vengrijos mokslininkų. Kadangi tamsūs fotonai nesąveikauja su įprastu elektros krūviu, šis ryšys gali atsirasti tik dėl keistenybių kvantinė mechanika. Tačiau jei mokslininkai pradėjo matyti elektronų ir pozitronų porų padidėjimą, tai gali reikšti, kad jie stebi tamsius fotonus.

Irwino grupė rado modelį su „protofobine“ dalele, kurio neatmetė ankstyvieji matavimai ir kuris galėtų paaiškinti Vengrijos rezultatą. „Protofobinės“, tai yra, „protonų vengiančios“ dalelės retai arba beveik niekada sąveikauja su protonais, tačiau gali sąveikauti su neutronais (neutrofilais).

Irwin grupės pasiūlyta dalelė dalyvauja penktoje nežinomoje jėgoje, kuri atsiranda 12 femtometrų atstumu arba 12 kartų didesniu už protoną. Dalelė yra protofobinė ir neutrofilinė. Dalelės masė yra 17 milijonų eV ir gali suskaidyti į elektronų-pozitronų poras. Be Vengrijos eksperimento paaiškinimo, tokia dalelė galėtų paaiškinti kai kuriuos neatitikimus, rastus kituose eksperimentuose. Pastaroji idėjai prideda šiek tiek svorio.

Paradigmas keičianti sąveika?

Kas gali būti tiesa? Duomenys yra karalius. Norint patvirtinti arba paneigti pakeitimus, reikės atlikti daugiau eksperimentų. Visa kita nesvarbu. Tačiau tai užtruks apie metus, ir būtų malonu per tiek laiko sugalvoti kokią nors idėją. Geriausias būdas Tikimybę, kad atradimas bus tikras, galima įvertinti tiriant eksperimente dalyvavusių mokslininkų reputaciją. Tai, žinoma, vulgarus būdas atlikti mokslą, tačiau tai gali sumenkinti jūsų lūkesčius.

Pradėkime nuo Irvine grupės. Daugelis iš jų (ypač vadovai) turi gerą reputaciją ir yra pripažinti šios srities ekspertai, geras darbas. Grupės amžius įvairus, dalyvauja ir vyresni, ir jaunesni. Kai kuriuos pažįstu asmeniškai, du iš jų skaitė teorines dalis mano parašytos knygos skyriuose, kad įsitikinčiau, ar nieko kvailo ten nepasakiau (Beje, klaidų nerado, bet padėjo paaiškinti kai kuriuos dalykus). Tai paaiškina mano pagarbą Irvine grupės nariams, nors tai taip pat gali padaryti mane šališką. Esu gana įsitikinęs, kad jų darbas lyginant naująjį modelį su esamais duomenimis buvo kruopštus ir profesionalus. Jie atrado nedidelį ir neištirtą galimų teorijų regioną.

Kita vertus, pati teorija yra gana spekuliatyvi ir mažai tikėtina. Tai nėra nuosprendis – taip galima pasakyti apie visas teorijas. Galų gale, standartinis modelis, valdantis dalelių fiziką, buvo žinomas 50 metų ir yra gerai ištirtas. Be to, visos naujos teorijos yra spėlionės ir mažai tikėtinos, o dauguma jų yra neteisingos. Tai taip pat nėra sakinys. Yra daug būdų, kaip papildyti esamas teorijas, siekiant paaiškinti naujus reiškinius. Ir visi negali būti tikri. Ir kartais nė viena iš siūlomų teorijų nepasirodo teisinga.

Tačiau remiantis grupės narių reputacija galima daryti išvadą, kad jie sugalvojo nauja idėja ir palygino jį su visais atitinkamais duomenimis. Tai, kad jie paskelbė savo modelį, reiškia, kad jis išlaikė testus ir išlieka tikėtina, jei mažai tikėtina, galimybė.

O vengrų grupė? Nė vieno iš jų nepažįstu asmeniškai, bet straipsnis buvo paskelbtas „Physical Review Letters“ - jiems tai jau yra pliusas. Tačiau grupė paskelbė du ankstesnius dokumentus, kuriuose buvo pastebėtos panašios anomalijos, įskaitant galimą 12 milijonų eV dalelę ir 14 milijonų eV dalelę. Abu kūriniai buvo paneigti kitais eksperimentais.

Be to, vengrų grupė niekada nepaaiškino, dėl ko atsirado klaidos paneigtuose darbuose. Dar viena raudona vėliavėlė – grupė retai skelbia duomenis, kuriuose nėra anomalijų. Tai mažai tikėtina. Mano mokslinės karjeros metu dauguma publikacijų patvirtino egzistuojančios teorijos. Pasikartojančios anomalijos yra labai retos.

Taigi, kokia yra esmė? Ar turėtume džiaugtis nauju galimu atradimu? Na, žinoma, galimi atradimai visada įdomūs. Standartinis modelis išbandymus atlaikė 50 metų, tačiau vis dar yra nepaaiškintų paslapčių, o mokslo bendruomenė visada ieško atradimų, rodančių naujas ir neįrodytas teorijas. Tačiau kokia tikimybė, kad šis matavimas ir teorija paskatins mokslo bendruomenę pripažinti, kad egzistuoja penktoji jėga, kurios diapazonas yra 12 fm, ir dalelė, kuri vengia protonų? Man atrodo, kad šansų mažai. Aš nesu optimistas dėl idėjos.

Žinoma, nuomonė yra tik nuomonė, nors ir informatyvi. Kituose eksperimentuose taip pat bus ieškoma tamsiųjų fotonų, nes net jei Vengrijos matavimai nepavyks, tamsiosios medžiagos problema vis tiek išliks. Daugelyje eksperimentų, ieškant tamsiųjų fotonų, bus tiriama ta pati parametrų erdvė (energijos, masės ir skilimo režimai), kurioje, anot Vengrijos mokslininkų, buvo rasta anomalija. Netrukus po metų sužinosime, ar ši anomalija buvo atradimas, ar tik dar vienas gedimas, laikinai sukrėtęs bendruomenę, ir bus atmestas, kai tik bus gauti tikslesni duomenys. Bet kad ir kaip tai baigtųsi, rezultatas vis tiek bus patobulintas mokslas.

Žymos:

• penktoji sąveika
• penktoji jėga
• kvantinė fizika
• standartinis modelis

1.1. Gravitacija.

1.2. Elektromagnetizmas.

1.3. Silpna sąveika.

1.4. Fizikos vienovės problema.

2. Elementariųjų dalelių klasifikacija.

2.1. charakteristika subatominės dalelės.

2.2. leptonai.

2.3. Hadronai.

2.4. Dalelės yra sąveikos nešėjos.

3. Elementariųjų dalelių teorijos.

3.1. Kvantinė elektrodinamika.

3.2. Kvarko teorija.

3.3. Elektrosilpnos sąveikos teorija.

3.4. Kvantinė chromodinamika.

3.5. Kelyje į didelį susivienijimą.

Nuorodos.

Įvadas.

Viduryje ir antroje pusėje tose fizikos šakose, kurios tiria pagrindinę materijos sandarą, buvo gauti tikrai nuostabūs rezultatai. Visų pirma, tai pasireiškė atradus daugybę naujų subatominių dalelių. Paprastai jos vadinamos elementariosiomis dalelėmis, tačiau ne visos jos yra tikrai elementarios. Daugelis jų savo ruožtu susideda iš dar daugiau elementarių dalelių. Subatominių dalelių pasaulis išties įvairus. Tai yra protonai ir neutronai, sudarantys atomų branduolius, taip pat elektronai, skriejantys aplink branduolius. Tačiau yra ir dalelių, kurių praktiškai niekada nerandama mus supančioje materijoje. Jų gyvenimo trukmė itin trumpa, tai yra mažiausios sekundės dalys. Po šio itin trumpo laiko jie suyra į įprastas daleles. Tokių nestabilių trumpaamžių dalelių yra nuostabiai daug: jau žinomi keli šimtai jų. Septintajame ir aštuntajame dešimtmečiuose fizikus visiškai suglumino naujai atrastų subatominių dalelių skaičius, įvairovė ir keistumas. Atrodė, kad jiems galo nėra. Visiškai neaišku, kodėl yra tiek daug dalelių. Ar šios elementarios dalelės yra chaotiškos ir atsitiktinės medžiagos fragmentai? O gal jie turi raktą suprasti Visatos struktūrą? Fizikos raida vėlesniais dešimtmečiais parodė, kad nėra jokių abejonių dėl tokios struktūros egzistavimo. XX amžiaus pabaigoje. fizika pradeda suprasti kiekvienos elementariosios dalelės reikšmę. Subatominių dalelių pasaulis pasižymi gilia ir racionalia tvarka. Ši tvarka pagrįsta esminėmis fizinėmis sąveikomis.

1. Fundamentalios fizinės sąveikos.

Jūsų kasdienybėžmogus susiduria su daugybe jėgų, veikiančių jo kūną. Čia yra vėjo ar vandens srauto jėga, oro slėgis, galingas sprogstamųjų cheminių medžiagų išsiskyrimas, žmogaus raumenų jėga, sunkių daiktų svoris, šviesos kvantų slėgis, elektros krūvių pritraukimas ir atstūmimas, seisminės bangos, kartais sukeliantis katastrofišką sunaikinimą, ugnikalnių išsiveržimus, dėl kurių žuvo civilizacija ir kt. Vienos jėgos veikia tiesiogiai susilietus su kūnu, kitos, pavyzdžiui, gravitacija, veikia per atstumą, per erdvę. Tačiau, kaip paaiškėjo plėtojant teorinį gamtos mokslą, nepaisant tokios didelės įvairovės, visas gamtoje veikiančias jėgas galima sumažinti iki keturių pagrindinių sąveikų. Būtent šios sąveikos galiausiai yra atsakingos už visus pasaulio pokyčius, jos yra visų kūnų ir procesų transformacijų šaltinis. Fundamentinių sąveikų savybių tyrimas yra pagrindinė užduotisšiuolaikinė fizika.

Gravitacija.

Fizikos istorijoje gravitacija tapo pirmąja iš keturių pagrindinių sąveikų, kuri buvo mokslinių tyrimų objektas. Po jo pasirodymo XVII a. Niutono gravitacijos teorija – visuotinės gravitacijos dėsnis – pirmą kartą sugebėjo suvokti tikrąjį gravitacijos, kaip gamtos jėgos, vaidmenį. Gravitacija turi keletą savybių, išskiriančių ją iš kitų pagrindinių sąveikų. Labiausiai stebina gravitacijos ypatybė yra mažas jos intensyvumas. Gravitacinės sąveikos tarp vandenilio atomo komponentų dydis yra 10n, kur n = - 3 9, remiantis elektros krūvių sąveikos jėga. (Jei vandenilio atomo matmenis lemtų gravitacija, o ne elektros krūvių sąveika, tai žemiausia (arčiausiai branduolio) elektronų orbita būtų didesnė nei stebima Visatos dalis!) vandenilio atomo matmenys buvo nulemti gravitacijos, o ne elektros krūvių sąveikos, tada žemiausia (arčiausiai branduolio) elektronų orbita būtų didesnio dydžio nei stebima Visatos dalis!). Gali pasirodyti keista, kad iš viso jaučiame gravitaciją, nes ji tokia silpna. Kaip ji gali tapti dominuojančia jėga Visatoje? Viskas apie antrą nuostabią gravitacijos savybę – jos universalumą. Niekas Visatoje nėra laisvas nuo gravitacijos. Kiekviena dalelė patiria gravitacijos veikimą ir pati yra gravitacijos šaltinis. Kadangi kiekviena materijos dalelė daro gravitacinę trauką, gravitacija didėja, kai susidaro didesni materijos gumuliukai. Kasdieniame gyvenime jaučiame gravitaciją, nes visi Žemės atomai dirba kartu, kad pritrauktų mus. Ir nors vieno atomo gravitacinės traukos poveikis yra nereikšmingas, visų atomų traukos jėga gali būti reikšminga. Gravitacija yra ilgalaikė gamtos jėga. Tai reiškia, kad nors gravitacinės sąveikos intensyvumas mažėjant atstumui, ji plinta erdvėje ir gali paveikti labai nutolusius nuo šaltinio kūnus. Astronominiu mastu gravitacinė sąveika dažniausiai vaidina svarbų vaidmenį. Tolimojo veikimo dėka gravitacija neleidžia Visatai subyrėti: ji laiko planetas orbitose, žvaigždes galaktikose, galaktikas spiečius, spiečius metagalaktikoje. Gravitacinė jėga, veikianti tarp dalelių, visada yra patraukli jėga: ji linkusi daleles suartinti. Gravitacinis atstūmimas niekada anksčiau nebuvo pastebėtas (nors kvazimokslinės mitologijos tradicijose yra visa sritis, vadinama levitacija - antigravitacijos „faktų“ paieška). Kadangi bet kurioje dalelėje sukaupta energija visada yra teigiama ir suteikia jai teigiamą masę, gravitacijos veikiamos dalelės visada linkusios priartėti. Kas yra gravitacija, tam tikras laukas ar erdvėlaikio kreivumo pasireiškimas – aiškaus atsakymo į šį klausimą vis dar nėra. Kaip jau minėjome, šiuo klausimu yra įvairių fizikų nuomonių ir sampratų.

Elektromagnetizmas.

Pagal dydį elektros jėgos kur kas pranašesnis už gravitaciją. Skirtingai nuo silpnos gravitacinės sąveikos, elektrines jėgas, veikiančias tarp normalaus dydžio kūnų, galima lengvai stebėti. Elektromagnetizmas žmonėms buvo žinomas nuo neatmenamų laikų (auroros, žaibo blyksniai ir kt.). Ilgą laiką elektriniai ir magnetiniai procesai buvo tiriami nepriklausomai vienas nuo kito. Kaip jau žinome, lemiamas žingsnis elektromagnetizmo pažinimo srityje buvo žengtas XIX amžiaus viduryje. J.C.Maxwell, sujungęs elektrą ir magnetizmą į vieningą elektromagnetizmo teoriją – pirmąją vieningo lauko teoriją. Elektrono egzistavimas buvo tvirtai nustatytas praėjusio amžiaus 90-aisiais. Dabar jau žinoma, kad elektros krūvis bet kuri medžiagos dalelė visada yra pagrindinio krūvio vieneto kartotinė - savotiškas krūvio „atomas“. Kodėl taip yra, yra nepaprastai įdomus klausimas. Tačiau ne visos medžiagos dalelės yra elektros krūvio nešėjos. Pavyzdžiui, fotonas ir neutrinas yra elektriškai neutralūs. Šiuo požiūriu elektra skiriasi nuo gravitacijos. Visos medžiagos dalelės sukuria gravitacinį lauką, tuo tarpu su elektromagnetinis laukas Surištos tik įkrautos dalelės. Kaip elektros krūviai, kaip magnetiniai poliai atstumia, o priešingi traukia. Tačiau, skirtingai nei elektros krūviai, magnetiniai poliai atsiranda ne pavieniui, o tik poromis - Šiaurės ašigalis ir pietų ašigalį. Nuo seniausių laikų buvo žinomi bandymai, padalijant magnetą, gauti tik vieną izoliuotą magnetinį polių – monopolį. Bet jie visi baigėsi nesėkme. Galbūt izoliuotų egzistavimas magnetiniai poliai gamtoje neįmanoma? Tikslaus atsakymo į šį klausimą dar nėra. Kai kurios teorinės koncepcijos leidžia numatyti monopolio galimybę. Kaip ir elektrinė ir gravitacinė sąveika, magnetinių polių sąveika paklūsta atvirkštiniam kvadrato dėsniui. Vadinasi, elektrinės ir magnetinės jėgos yra „ilgo nuotolio“, o jų poveikis juntamas dideliais atstumais nuo šaltinio. Taigi Žemės magnetinis laukas nusidriekia toli į kosmosą. Galingas Saulės magnetinis laukas užpildo visą Saulės sistemą. Taip pat yra galaktikos magnetinių laukų. Elektromagnetinė sąveika lemia atomų sandarą ir yra atsakinga už didžiąją daugumą fizinių ir cheminiai reiškiniai ir procesai (išskyrus branduolinius).

Silpna sąveika.

Fizika lėtai judėjo link silpnosios sąveikos egzistavimo nustatymo. Silpna jėga yra atsakinga už dalelių skilimą; ir todėl jo pasireiškimas buvo susidūręs su radioaktyvumo atradimu ir beta skilimo tyrimu. Beta skilimas buvo rastas aukščiausias laipsnis keista savybė. Tyrimai leido padaryti išvadą, kad šis skilimas pažeidžia vieną iš pagrindinių fizikos dėsnių – energijos tvermės dėsnį. Atrodė, kad per šį irimą dalis energijos kažkur dingo. Siekdamas „išsaugoti“ energijos tvermės dėsnį, W. Pauli pasiūlė, kad kartu su elektronu beta skilimo metu išsiskiria kita dalelė. Jis yra neutralus ir pasižymi neįprastai dideliu skverbimosi gebėjimu, todėl jo nebuvo galima pastebėti. E. Fermi nematomą dalelę pavadino „neutrinu“. Tačiau neutrinų numatymas ir aptikimas yra tik problemos, jos formulavimo pradžia. Reikėjo paaiškinti neutrinų prigimtį, bet čia liko daug paslapčių. Faktas yra tas, kad ir elektronus, ir neutrinus išspinduliavo nestabilūs branduoliai. Tačiau buvo neginčijamai įrodyta, kad branduolių viduje tokių dalelių nėra. Kaip jie atsirado? Buvo teigiama, kad elektronų ir neutrinų branduolyje nėra " baigta forma“, bet kažkokiu būdu susidaro iš radioaktyvaus branduolio energijos. Tolesni tyrimai parodė, kad į branduolį patekę neutronai, palikti sau, po kelių minučių suyra į protoną, elektroną ir neutriną, t.y. vietoj vienos dalelės susidaro trys nauji. pasirodo, kad analizė leido padaryti išvadą žinomos jėgos negali sukelti tokio suirimo. Matyt, jį sukūrė kažkokia kita, nežinoma jėga. Tyrimai parodė, kad ši jėga atitinka tam tikrą silpną sąveiką. Jis yra daug silpnesnis už elektromagnetinį, nors ir stipresnis už gravitacinį. Jis plinta labai mažais atstumais. Silpnosios sąveikos spindulys yra labai mažas. Silpna sąveika sustoja didesniu nei 10n cm atstumu (kur n = -1 6) nuo šaltinio ir todėl negali paveikti makroskopinių objektų, bet apsiriboja atskiromis subatominėmis dalelėmis. Vėliau paaiškėjo, kad dauguma nestabilių elementariųjų dalelių dalyvauja silpnoje sąveikoje. Silpnos sąveikos teoriją 60-ųjų pabaigoje sukūrė S. Weinbergas ir A. Salamas. Nuo Maksvelo elektromagnetinio lauko teorijos šios teorijos sukūrimas buvo didžiausias žingsnis fizikos vienybės link. 10.

Stipri sąveika.

Paskutinis iš pagrindinių sąveikų serijos yra stipri sąveika, kuri yra didžiulės energijos šaltinis. Dauguma tipinis pavyzdys Stiprios sąveikos išsiskirianti energija yra mūsų Saulė. Saulės ir žvaigždžių gelmėse, pradedant nuo tam tikro laiko, nuolat vyksta stiprios sąveikos sukeltos termobranduolinės reakcijos. Tačiau žmogus išmoko paleisti ir stiprią sąveiką: buvo sukurta vandenilinė bomba, sukurtos ir patobulintos kontroliuojamų termobranduolinių reakcijų technologijos. Fizikai atėjo į idėją apie stiprios sąveikos egzistavimą tiriant atomo branduolio struktūrą. Tam tikra jėga turi išlaikyti protonus branduolyje, neleisdama jiems išsisklaidyti veikiant elektrostatiniam atstūmimui. Gravitacija tam per silpna; Akivaizdu, kad reikia kažkokios naujos sąveikos, be to, stipresnės nei elektromagnetinė. Vėliau buvo atrasta. Paaiškėjo, kad nors stipri sąveika savo dydžiu gerokai pranoksta visas kitas fundamentines sąveikas, už branduolio ribų ji nesijaučia. Diapazonas naujos jėgos pasirodė labai mažas. Stipri jėga staigiai nukrenta atstumu nuo protono arba neutrono, didesniu nei maždaug 10n cm (kur n = -13). Be to, paaiškėjo, kad ne visos dalelės patiria stiprią sąveiką. Jį patiria protonai ir neutronai, tačiau elektronai, neutrinai ir fotonai jam netaikomi. Stiprioje sąveikoje dalyvauja tik sunkesnės dalelės. Buvo sunku sukurti teorinį stiprios sąveikos pobūdžio paaiškinimą. Proveržis įvyko septintojo dešimtmečio pradžioje, kai buvo pasiūlytas kvarko modelis. Šioje teorijoje neutronai ir protonai laikomi ne elementariomis dalelėmis, o sudėtinėmis sistemomis, sukurtomis iš kvarkų. Taigi esminėse fizinėse sąveikose aiškiai matomas skirtumas tarp tolimojo ir trumpojo nuotolio jėgų. Viena vertus, yra neriboto diapazono sąveikos (gravitacija, elektromagnetizmas), kita vertus, trumpo nuotolio (stiprios ir silpnos) sąveikos. Fizinių elementų pasaulis kaip visuma atsiskleidžia šių dviejų poliarumų vienybėje ir yra itin mažo ir itin didelio vienybės įsikūnijimas – trumpojo veikimo mikropasaulyje ir ilgo nuotolio veiksmo visoje Visatoje.

Fizikos vienovės problema.

Žinios yra tikrovės apibendrinimas, todėl mokslo tikslas yra vienybės gamtoje paieška, susiejant skirtingus žinių fragmentus į vieną paveikslą. Norint sukurti vieningą sistemą, būtina atverti jungiamąją grandį tarp įvairių žinių šakų, kažkokį esminį ryšį. Tokių ryšių ir ryšių paieška yra vienas pagrindinių mokslinių tyrimų uždavinių. Kai tik įmanoma užmegzti tokius naujus ryšius, žymiai pagilėja supratimas apie supantį pasaulį, formuojasi nauji pažinimo būdai, kurie nurodo kelią į anksčiau nežinotus reiškinius. Gilių ryšių tarp skirtingų gamtos vietovių užmezgimas yra ir žinių sintezė, ir metodas, nukreipiantis mokslinius tyrimus naujais, dar nepramintais keliais. Niutono atradimas apie ryšį tarp kūnų traukos antžeminės sąlygos o planetų judėjimas pažymėjo gimimą klasikinė mechanika, kurio pagrindu pastatyta technologinė bazė šiuolaikinė civilizacija. Ryšio tarp termodinaminių dujų savybių ir chaotiško molekulių judėjimo nustatymas padėjo atominei ir molekulinei materijos teorijai tvirtą pagrindą. Praėjusio amžiaus viduryje Maksvelas sukūrė vieningą elektromagnetinę teoriją, kuri apėmė ir elektrinius, ir magnetinius reiškinius. Tada, mūsų amžiaus 20-ajame dešimtmetyje, Einšteinas bandė sujungti vieninga teorija elektromagnetizmas ir gravitacija. Tačiau iki XX amžiaus vidurio. Situacija fizikoje kardinaliai pasikeitė: atrastos dvi naujos fundamentalios sąveikos – stiprioji ir silpnoji, t.y. kuriant vieningą fiziką, reikia atsižvelgti ne į dvi, o į keturias esmines sąveikas. Tai šiek tiek atšaldė tų, kurie tikėjosi, užsidegimą greitas sprendimasšią problemą. Tačiau pati idėja nebuvo rimtai suabejota, o entuziazmas dėl vieno aprašymo niekur nedingo. Egzistuoja požiūris, kad visos keturios (ar bent trys) sąveikos yra tos pačios prigimties reiškiniai ir reikia rasti vieningą teorinį jų aprašymą. Perspektyva sukurti vieningą fizinių elementų pasaulio teoriją, pagrįstą viena esmine sąveika, išlieka labai patraukli. Tai pagrindinė XX amžiaus fizikų svajonė. Tačiau ilgą laiką tai liko tik svajonė, ir labai miglota. Tačiau XX amžiaus antroje pusėje. buvo prielaidos šiai svajonei išsipildyti ir pasitikėjimas, kad tai jokiu būdu nėra tolimos ateities reikalas. Panašu, kad tai netrukus gali tapti realybe. Lemiamas žingsnis link vieningos teorijos buvo žengtas 60–70 m. sukūrus pirmiausia kvarkų teoriją, o vėliau ir elektrosilpnos sąveikos teoriją. Yra pagrindo manyti, kad esame ant galingesnio ir gilesnio susivienijimo slenksčio nei bet kada anksčiau. Fizikai vis labiau įsitikinę, kad pradeda ryškėti vieningos visų pagrindinių sąveikų teorijos – Didžiojo susivienijimo – kontūrai.

2 . Elementariųjų dalelių klasifikacija.

Yra 4 pagrindinių sąveikų tipai, kurių negalima redukuoti viena su kita.

Elementariosios dalelės dalyvauja visų tipų žinomoje sąveikoje.

Panagrinėkime juos mažėjančia intensyvumo tvarka:

1) stiprus,

2) elektromagnetinis,

3) silpnas

4) gravitacinis.

Stipri sąveika vyksta atomų branduolių lygyje ir reiškia abipusį juos sudarančių dalių trauką. Veikia maždaug 10 -13 cm atstumu.

Dėl to susidaro stipri sąveika medžiagų sistemos Su didelė energija ryšiai – atomų branduoliai.

Būtent dėl ​​šios priežasties atomų branduoliai yra labai stabilūs ir sunkiai suardomi. Elektromagnetinė sąveika

apie tūkstantį kartų silpnesnis už stiprų, bet veikia daug didesniais atstumais. Tokio tipo sąveika būdinga elektra įkrautoms dalelėms. Elektromagnetinės sąveikos procese elektronai ir atomų branduoliai susijungia į atomus, o atomai į molekules. Tam tikra prasme ši sąveika yra esminė chemijos ir biologijos srityse. Silpna sąveika galbūt tarp skirtingų dalelių. Jis tęsiasi maždaug 10–15–10–22 cm atstumu ir daugiausia susijęs su dalelių skilimu. Remiantis dabartinėmis žiniomis, dauguma dalelių yra nestabilios būtent dėl ​​silpnos sąveikos. Pavyzdžiui, kas vyksta atominiame branduolyje

neutronų transformacija , į protoną, elektroną ir antineutriną.

Gravitacinė sąveika

silpniausias ir į jį neatsižvelgiama elementariųjų dalelių teorijoje, nes duoda itin mažus efektus. Kosminiu mastu gravitacinė sąveika turi lemiamą reikšmę.

Jo veikimo spektras neribojamas.

Laikas, per kurį įvyksta elementariųjų dalelių transformacija, priklauso nuo sąveikos jėgos.

Branduolinės reakcijos, susijusios su stipria sąveika, įvyksta per 10 -24 -10 -23 s.

Elektromagnetinės sąveikos sukelti pokyčiai įvyksta per 10 -19 -10 -21 s. Elementariųjų dalelių skilimas, susijęs su silpna sąveika, vidutiniškai trunka 10 -21 s.Šios keturios sąveikos yra būtinos ir pakankamos, kad būtų sukurtas įvairus pasaulis.

Be stiprios sąveikos neegzistuotų atomų branduoliai, o žvaigždės ir Saulė negalėtų generuoti energijos dėl

branduolinė energija

šiluma ir šviesa.

Be elektromagnetinės sąveikos nebūtų nei atomų, nei molekulių, nei makroskopinių objektų, taip pat šilumos ir šviesos. materialus pasaulis, galima gauti iš vienos pagrindinės sąveikos - supergalių .

Teoriškai įrodyta, kad esant labai aukštai temperatūrai (arba energijai) visos keturios sąveikos susijungia į vieną.

Esant 100 GeV energijai, susijungia elektromagnetinė ir silpna sąveika.

Ši temperatūra atitinka Visatos temperatūrą per 10 -10 s. po Didžiojo sprogimo.

Esant 1015 GeV energijai, prie jų prisijungia stipri sąveika.

Esant 1019 GeV energijai, visos keturios sąveikos susijungia.

1 GeV = 1 milijardas elektronų voltų

Pažanga elementariųjų dalelių tyrimų srityje prisidėjo prie tolesnės atomizmo sampratos plėtros. Šiuo metu manoma, kad tarp daugybės elementariųjų dalelių galime išskirti 12 pagrindinių dalelių ir tiek pat .

antidalelių

Šešios dalelės yra kvarkai egzotiškais pavadinimais:

„viršus“, „apačia“, „žavėtas“, „keistas“, „tikras“, „žavingas“. Likę šeši yra leptonai: , elektronas , miuonas tau dalelė

ir juos atitinkantys neutrinai (elektronai, miuonas, tau neutrinai).

Įprastą medžiagą sudaro pirmosios kartos dalelės.

Daroma prielaida, kad likusios kartos gali būti sukurtos dirbtinai naudojant įkrautus dalelių greitintuvus. Remdamiesi kvarko modeliu, fizikai sukūrė modelis

atomų struktūra.

Kiekvienas atomas susideda iš sunkaus branduolio (stipriai surišto protonų ir neutronų gliuono laukais) ir elektronų apvalkalo. Protonų skaičius branduolyje yra serijos numeris elementas viduje periodinė lentelė

elementai D.I. Mendelejevas. Protonas turi teigiamą elektros krūvį, 1836 kartus didesnį už jo masę daugiau masės

elektronų, matmenys apie 10 -13 cm.

Neutrono elektrinis krūvis lygus nuliui.

Protoną, remiantis kvarko hipoteze, sudaro du kvarkai „aukštyn“ ir vienas „žemyn“, o neutronas - iš vieno „aukštyn“ ir dviejų „žemyn“ kvarkų. Jie negali būti įsivaizduojami kaip vientisas rutulys, greičiau jie primena debesį su neryškiomis ribomis, susidedančius iš gimstančių ir išnykstančių virtualių dalelių.

Vis dar lieka neišspręstų klausimų apie kvarkų ir leptonų kilmę, ar jie yra pagrindiniai gamtos „pirmieji statybiniai blokai“ ir kiek jie yra esminiai.

Atsakymų į šiuos klausimus ieškoma šiuolaikinėje kosmologijoje.