Ne çeşitli maddeler ah oldukça fazla şey içeriyor temel parçacıklar Temel fiziksel etkileşimler dört türle temsil edilir: güçlü, elektromanyetik, zayıf ve yerçekimi. İkincisi en kapsamlı olarak kabul edilir.

İstisnasız tüm makro cisimler ve mikro parçacıklar yerçekimine tabidir. Kesinlikle tüm temel parçacıklar yerçekimi etkisine tabidir. Formda görünüyor evrensel yerçekimi. Bu temel etkileşim, Evrende meydana gelen çoğu küresel süreci kontrol eder. Yerçekimi yapısal stabilite sağlar Güneş Sistemi.

Uyarınca modern fikirler Parçacıkların değişimi nedeniyle temel etkileşimler ortaya çıkar. Yerçekimi, gravitonların değişimi yoluyla oluşur.

Temel Etkileşimler- yerçekimi ve elektromanyetik - doğası gereği uzun menzillidir. Karşılık gelen kuvvetler kendilerini önemli mesafelerde gösterebilirler. Bu temel etkileşimlerin kendine has özellikleri vardır.

Aynı tipteki (elektrikli) yüklerle tanımlanır. Bu durumda, masraflar hem pozitif hem de pozitif olabilir. negatif işareti. Elektromanyetik kuvvetler, (yerçekiminden) farklı olarak itici ve çekici kuvvetler olarak hareket edebilir. Bu etkileşim kimyasal ve fiziki ozellikleriçeşitli maddeler, malzemeler, canlı doku. Elektromanyetik kuvvetler hem elektronik hem de elektrikli ekipmanı çalıştırarak yüklü parçacıkları birbirine bağlar.

Temel etkileşimler, astronomlardan ve fizikçilerden oluşan küçük bir çevrenin ötesinde bilinmektedir. değişen dereceler.

Daha az ünlü olmasına rağmen (diğer türlerle karşılaştırıldığında), zayıf kuvvetler oynamak önemli rol Evrenin yaşamında. Yani zayıf etkileşim olmasaydı yıldızlar ve Güneş sönerdi. Bu kuvvetler kısa menzillidir. Yarıçapı nükleer kuvvetlerinkinden yaklaşık bin kat daha küçüktür.

Nükleer kuvvetler diğerlerinin en güçlüsü olarak kabul edilir. Güçlü etkileşim yalnızca hadronlar arasındaki bağları belirler. Nükleonlar arasında etki eden nükleer kuvvetler bunun tezahürüdür. Elektromanyetikten yaklaşık yüz kat daha güçlü. Yerçekiminden (aslında elektromanyetikten) farklı olarak, 10-15 m'den daha uzak bir mesafede kısa menzillidir. Ayrıca karmaşık kombinasyonlar oluşturan üç yük kullanılarak da tanımlanabilir.

Aralık dikkate alınır en önemli özellik temel etkileşim. Etki yarıçapı parçacıklar arasında oluşan maksimum mesafedir. Bunun dışında etkileşim ihmal edilebilir. Küçük bir yarıçap, kuvveti kısa etkili olarak nitelendirir, büyük yarıçap- uzun menzilli.

Yukarıda belirtildiği gibi, zayıf ve güçlü etkileşimler kısa menzilli olarak kabul edilir. Parçacıklar arasındaki mesafe arttıkça yoğunlukları oldukça hızlı bir şekilde azalır. Bu etkileşimler, duyularla algılanamayacak kadar küçük mesafelerde kendini gösterir. Bu bakımdan bu kuvvetler diğerlerinden çok daha sonra (sadece yirminci yüzyılda) keşfedildi. Bu durumda oldukça karmaşık deneysel tesisler. Yerçekimi ve elektromanyetik türleri temel etkileşimler uzun menzilli olarak kabul edilir. Parçacıklar arasındaki mesafe arttıkça yavaş bir azalma ile karakterize edilirler ve sınırlı bir etki aralığına sahip değildirler.

Dünyamızın yapısını belirleyen dört ana fiziksel etkileşim vardır: güçlü, zayıf, elektromanyetik ve yerçekimsel.

1. Güçlü etkileşimler atom çekirdeği seviyesinde meydana gelir ve temsil eder karşılıklı çekim bunların ortak parçaları. Yaklaşık 10 -13 cm mesafelerde hareket ederler. güçlü etkileşimler - nükleer kuvvetler. Güçlü etkileşimler, 1911'de atom çekirdeğinin keşfiyle eş zamanlı olarak E. Rutherford tarafından keşfedildi. Güçlü etkileşimlerin taşıyıcıları gluonlar. Nükleer kuvvetler parçacık yüküne bağlı değildir. Güçlü etkileşimlerde yükün büyüklüğü korunur.

2. Elektromanyetik etkileşim 100-1000 kat daha zayıf
güçlü etkileşim, ancak daha uzun menzilli. Elektrik yüklü parçacıkların karakteristiği. Elektromanyetik etkileşimin taşıyıcısı yüksüz olandır foton– elektromanyetik alanın kuantumu. Elektromanyetik etkileşim sürecinde elektronlar ve atom çekirdeği birleşerek atomları, atomları da molekülleri oluşturur. Elektromanyetik etkileşim elektrik ve manyetik alanlarla ilişkilidir. Elektrik yüklerinin varlığında bir elektrik alanı ortaya çıkar ve hareket ettiklerinde bir manyetik alan oluşur. Çeşitli toplanma durumları Maddeler, sürtünme olgusu, bir maddenin elastikliği ve diğer özellikleri öncelikle kuvvetler tarafından belirlenir. moleküller arası etkileşim doğası gereği elektromanyetiktir. Elektromanyetik etkileşim, elektrostatik ve elektrodinamiğin temel yasalarıyla tanımlanır: Coulomb yasası, Ampere yasası vb. Genel açıklama verir elektromanyetik teori Maxwell'e dayalı temel denklemler, elektrik ve manyetik alanları birbirine bağlar.

3. Zayıf etkileşimler elektromanyetikten daha zayıftır. Etki yarıçapı 10 -15 - 10 -22 cm'dir. Zayıf etkileşim, parçacıkların bozulmasıyla, örneğin bir protonun çekirdekte meydana gelen bir nötrona, pozitron ve nötrinoya dönüşümü ile ilişkilidir. Yayılan nötrino muazzam bir nüfuz gücüne sahiptir; milyarlarca kilometre kalınlığındaki bir demir plakanın içinden geçer. Zayıf etkileşimlerde parçacıkların yükü değişir. Zayıf etkileşim bir temas etkileşimi değildir, ancak orta dereceli ağır parçacıkların değişimi yoluyla gerçekleştirilir. bozonlar.

4. Yerçekimi etkileşimi doğalarına bakılmaksızın tüm maddi nesnelerin karakteristiğidir. Bu, cisimlerin karşılıklı çekiminden oluşur ve evrensel çekimin temel yasasıyla belirlenir: iki kişi arasında nokta cisimleriçekim kuvveti kütlelerinin çarpımı ile doğru orantılı, aralarındaki mesafenin karesi ile ters orantılıdır. Yerçekimi etkileşimi, Dünya'nın yerçekimi kuvvetleri alanındaki cisimlerin düşüşünü belirler. Evrensel çekim yasası, örneğin güneş sistemindeki gezegenlerin ve çeşitli makro nesnelerin hareketini açıklar. Yerçekimi etkileşiminin belirli temel parçacıklardan kaynaklandığı varsayılmaktadır. gravitonlar varlığı henüz deneysel olarak doğrulanmamıştır.

Yerçekimi etkileşimi elektromanyetik etkileşimden birçok kez daha zayıftır. Temel parçacıklar teorisinde dikkate alınmaz, çünkü 10-13 cm civarındaki karakteristik mesafelerde son derece küçük etkiler yaratır. Ancak ultra kısa mesafelerde (10-33 cm) ve ultra yüksek enerjilerde yerçekimi yeniden önem kazanıyor. çok ağır sanal parçacıklar Kendi etraflarında, uzayın geometrisini bozan gözle görülür bir çekim alanı yaratırlar. İÇİNDE kozmik ölçek yerçekimsel etkileşim vardır hayati. Etki alanı sınırlı değildir.

Temel parçacıkların dönüşümünün meydana geldiği süre, etkileşimin kuvvetine bağlıdır. Güçlü etkileşimlerle ilişkili nükleer reaksiyonlar 10 -24 - 10 -23 saniye içinde gerçekleşir. Bu, yüksek enerjilere, ışık hızına yakın bir hıza kadar hızlandırılan bir parçacığın, boyutu 10-13 cm civarında olan bir temel parçacığın içinden geçtiği yaklaşık olarak en kısa zaman aralığıdır. Elektromanyetik etkileşimler nedeniyle değişiklikler meydana gelir. 10-19 - 10 -21 saniye içinde ve zayıf olanlar (örneğin, temel parçacıkların bozunması) - esas olarak 10 -10 saniye.

Dört etkileşimin tümü, çeşitlilik içeren bir dünya inşa etmek için gerekli ve yeterlidir. Güçlü etkileşimler olmasaydı atom çekirdekleri olmazdı. Olmadan elektromanyetik etkileşimler atomlar, moleküller, makroskobik nesneler, ısı ve ışık olmayacaktı. Olmadan zayıf etkileşimler mümkün olmazdı nükleer reaksiyonlar Güneşin ve yıldızların derinliklerinde parlamalar oluşmazdı süpernovalar ve yaşam için gerekli ağır elementler Evrene yayılamaz. Olmadan yerçekimi etkileşimi Sadece galaksiler, yıldızlar, gezegenler olmayacaktı, aynı zamanda tüm Evren gelişemezdi çünkü yerçekimi, Evrenin bir bütün olarak birliğini ve evrimini sağlayan birleştirici bir faktördür.

Modern fizik, temel parçacıklardan karmaşık ve çeşitli bir maddi dünya yaratmak için gerekli olan dört temel etkileşimin hepsinin tek bir temel etkileşimden, süper kuvvetten elde edilebileceği sonucuna varmıştır. En çarpıcı başarı şunun kanıtıydı: yüksek sıcaklıklar(veya enerjiler) dört etkileşimin tümü tek bir etkileşimde birleştirilir. 100 GeV enerjide elektromanyetik ve zayıf etkileşimler birleşir. Bu sıcaklık Evrenin 10-10 saniye sonraki sıcaklığına karşılık gelir. büyük patlama. 10 15 GeV enerjide onlara güçlü bir etkileşim katılıyor ve 10 19 GeV enerjide dört etkileşimin tümü birleşiyor.

Bu varsayım tamamen teoriktir, çünkü deneysel olarak kontrol etmek imkansızdır. Bu fikirler, Evrenin biriktirdiği deneysel materyal olarak değerlendirilebilecek astrofizik verilerle dolaylı olarak doğrulanmaktadır.

• Tercüme

Makalenin yazarı, ABD Enerji Bakanlığı'nın himayesinde faaliyet gösteren Fermilab LHC laboratuvarında kıdemli bilim insanı olan Don Lincoln'dür. Yakın zamanda "Büyük Hadron Çarpıştırıcısı: Higgs Bozonunun Olağanüstü Tarihi ve Sizi Şaşırtacak Diğer Şeyler" kitabını yazdım.

Bilimin İnternet ile karmaşık bir ilişkisi vardır: Bilim, verilerin ve teorinin dikkatli ve dikkatli bir şekilde değerlendirilmesi yoluyla ilerlemektedir; bu, yıllar alabilen bir süreçtir. Ve internette izleyicinin konsantre olma yeteneği, Disney'in "Finding Nemo" (Ve şimdi "Finding Dory") adlı çizgi filmindeki balık Dory'yi anımsatıyor - işte bir meme, işte bir yıldızın fotoğrafı... Ah, bakın - komik bir kedi...

Bu nedenle, ciddi bilimle ilgilenen kişiler internette yayınlanan ve iddia niteliğindeki bilgilere karşı dikkatli olmalıdır. bilimsel araştırma bilimin paradigmasını kökten değiştiriyor. Son zamanlardaki bir örnek, beşinci temel kuvvetin olası keşfini iddia eden bir makaledir. Eğer durum böyle olsaydı ders kitaplarını yeniden yazmak zorunda kalırdık.

Bir fizikçi olarak bu ifadeye disiplinli bilimsel ışık tutmak istiyorum.

Beşinci etkileşim

7 Nisan 2015'te arXiv'e gönderilen bir makalede, bir grup Macar araştırmacı, yoğun proton ışınının ince lityum hedefler üzerindeki davranışının incelendiğini açıkladı. Tespit edilen çarpışmalar, sıradan berilyum-8 ve elektron-pozitron çiftlerine bozunan uyarılmış berilyum-8 çekirdekleri yarattı.

Elde ettikleri verilerin bilinenlerle açıklanamayacağını belirtmişlerdir. fiziksel olaylar Standart modelde yeniden doldurma modern fizik parçacıklar. Ancak bu verilere ilişkin bir açıklama, elektrondan 32,7 kat daha ağır, yani protonun kütlesinin %2'si kadar olan, 17 milyon eV kütlesine sahip, şimdiye kadar bilinmeyen bir parçacığın varlığıyla mümkündü. Modern standartlara göre oldukça düşük olan bu tür enerjilerde ortaya çıkan parçacıklar iyi bir şekilde incelenmiştir. Ve orada yeni bir tanesinin keşfedilmesi oldukça beklenmedik olurdu.

Ancak ölçümler ertelendi uzman değerlendirmesi ve 26 Ocak 2016'da Physical Review Letters dergisinde yayınlandı. prestijli dergiler dünya fiziğinde. Bu yayınla araştırmacılar ve çalışmaları etkileyici bir engeli aştı.

Bu ölçüm, Kaliforniya Üniversitesi Irvine'den (UCI) bir grup teorik fizikçi bunu fark edene kadar pek fark edilmedi. Ve teorisyenlerin genellikle tartışmalı konularda yaptığı gibi fiziksel ölçümler Ekip, yeni verilerin halihazırdaki verilerle eşleşip eşleşmediğini görmek için bunları son yüz yılda toplanan mevcut çalışmalarla karşılaştırdı. toplanan bilgiler. Bu durumda, bir düzine yayınlanmış çalışmayla karşılaştırdılar.

Ölçümlerin önceki çalışmalarla çelişmemesine rağmen, daha önce görülmemiş ve Standart Model tarafından açıklanamayan bir şeyi gözlemlediklerini buldular.

Yeni teorik platform

Bu teori çok egzotik. Yeni olası parçacığın mevcut teori tarafından açıklanmadığına dair makul bir varsayımla başladılar. Bu mantıklı çünkü olası yeni parçacık düşük kütle ve eğer bilinen fizik kanunlarıyla tanımlanmış olsaydı daha önce bulunurdu. Eğer bu parçacık yeni fizik yasalarına uyuyorsa, yeni bir kuvvet mevcut olabilir. Fizikçiler geleneksel olarak bilinen dört temel kuvvetten (yerçekimi, elektromanyetizma, güçlü ve zayıf) bahsettiklerinden, bu yeni varsayımsal kuvvete "beşinci" adı verildi.

Beşinci etkileşime ilişkin teorilerin ve keşiflerin tarihi oldukça çeşitlidir; birkaç on yıl öncesine dayanır ve bu çerçeve içerisinde yeni boyutlar ve fikirler ancak daha sonra ortadan kaybolacak şekilde ortaya çıkmıştır. Öte yandan karanlık madde gibi geleneksel fizikle açıklanamayan gizemler de var. Her ne kadar karanlık madde her zaman şu şekilde modellenmiş olsa da tek biçim Yerçekimini ve bilinen diğer kuvvetlerin hiçbirini deneyimlemeyen kararlı, büyük bir parçacık için, karanlık maddenin sıradan maddenin katılmadığı etkileşimlere katılmaması için hiçbir neden yoktur. Sonuçta sıradan madde, karanlık maddenin katılmadığı etkileşimlere katılıyor - yani burada aptalca bir şey yok.

Yalnızca karanlık maddeyi etkileyen etkileşimler hakkında pek çok fikir var ve bunların hepsi genel olarak "" olarak adlandırılıyor. karmaşık karanlık madde"Bilinen fikirlerden biri, yalnızca karanlık madde tarafından taşınan karanlık bir yük ile etkileşime giren karanlık bir fotonun varlığından söz ediyor. Bu parçacık, bildiğimiz elektrik yüküyle etkileşime giren sıradan madde fotonunun karanlık bir benzeridir, ancak bir istisna: bazı karmaşık teoriler karanlık madde sıradan fotonların aksine karanlık fotonlara kütle kazandırır.

Eğer karanlık fotonlar mevcutsa, bunlar sıradan maddeye (ve sıradan fotonlara) bağlanabilir ve bir grup Macar bilim insanının incelediği gibi elektron-pozitron çiftlerine bozunabilir. Karanlık fotonlar sıradan elektrik yükleriyle etkileşime girmediğinden, bu bağlantı yalnızca tuhaflıklar yoluyla ortaya çıkabilir. Kuantum mekaniği. Ancak bilim insanları elektron-pozitron çiftlerinde bir artış görmeye başladıysa, bu onların karanlık fotonları gözlemledikleri anlamına gelebilir.

Irvine'in grubu, Macaristan'daki sonucu açıklayabilecek, ilk ölçümlerle göz ardı edilmeyen "protofobik" bir parçacık içeren bir model buldu. "Protofobik", yani "protondan kaçınan" parçacıklar, protonlarla nadiren veya neredeyse hiç etkileşime girmez, ancak nötronlarla (nötrofiller) etkileşime girebilir.

Irwin grubu tarafından öne sürülen parçacık, 12 femtometre (protonun 12 katı büyüklüğünde) uzaklıkta meydana gelen beşinci, bilinmeyen bir kuvvete dahil oluyor. Parçacık protofobik ve nötrofiliktir. Parçacığın kütlesi 17 milyon eV'dir ve elektron-pozitron çiftlerine bozunabilir. Böyle bir parçacık, Macar deneyini açıklamanın yanı sıra, diğer deneylerde bulunan bazı tutarsızlıkları da açıklayabilir. İkincisi bu fikre biraz ağırlık katıyor.

Paradigma Değiştiren Etkileşim?

Ne doğru olabilir? Veri kraldır. Değişiklikleri doğrulamak veya çürütmek için daha fazla deney yapılması gerekecek. Geri kalan her şey önemli değil. Ancak bu yaklaşık bir yıl sürecek ve bu süre zarfında bir fikir bulmak güzel olurdu. En iyi yol Bir keşfin gerçek olma olasılığını tahmin etmek, deneye katılan araştırmacıların itibarını incelemekle olur. Bu elbette bilim yapmanın kaba bir yoludur, ancak beklentilerinizi azaltabilir.

Irvine grubuyla başlayalım. Birçoğunun (özellikle yöneticilerin) iyi bir itibarı vardır ve alanında uzmandırlar. iyi iş. Grubun yaşı değişiyor, hem yaşlı hem de genç katılımcılar var. Bazılarını bizzat tanıyorum, ikisi de yazdığım kitabın bazı bölümlerindeki teorik kısımları okuyup orada aptalca bir şey söylemediğimden emin oluyorlar (Bu arada herhangi bir hata bulamadılar ama yardımcı oldular) bazı noktaları açıklığa kavuşturun). Bu, Irvine grubunun üyelerine olan saygımı açıklıyor, ancak aynı zamanda beni önyargılı da kılabilir. Yeni modeli mevcut verilerle karşılaştıran çalışmalarının kapsamlı ve profesyonel olduğundan oldukça eminim. Olası teorilerin küçük ve keşfedilmemiş bir bölgesini keşfettiler.

Öte yandan teorinin kendisi oldukça spekülatif ve ihtimal dışı. Bu bir karar değil - bu tüm teoriler için söylenebilir. Sonuçta parçacık fiziğini yöneten Standart Model 50 yıldır biliniyor ve üzerinde iyi çalışılıyor. Ayrıca tüm yeni teoriler spekülatif ve olasılık dışıdır ve çoğu da yanlıştır. Bu aynı zamanda bir cümle değil. Yeni olguları açıklamak için mevcut teorilere revizyonlar eklemenin birçok yolu vardır. Ve herkes doğru olamaz. Ve bazen önerilen teorilerin hiçbiri doğru çıkmıyor.

Ancak grup üyelerinin itibarına dayanarak şu sonuca varılabilir: Yeni fikir ve bunu ilgili tüm verilerle karşılaştırdık. Modellerini yayınlamış olmaları, testlerini geçtiği ve pek olası olmasa da makul bir olasılık olduğu anlamına geliyor.

Peki ya Macar grup? Hiçbirini kişisel olarak tanımıyorum ama makale Physical Review Letters'da yayınlandı - bu zaten onlar için bir artı. Ancak grup, olası 12 milyon eV parçacık ve 14 milyon eV parçacık dahil olmak üzere benzer anormallikleri gözlemleyen daha önce iki makale yayınladı. Her iki çalışma da diğer deneylerle yalanlandı.

Ayrıca Macar grup, çürütülmüş eserlerdeki hatalara neyin sebep olduğunu hiçbir zaman açıklamadı. Bir başka tehlike işareti de grubun anormallik içermeyen verileri nadiren yayınlamasıdır. Bu pek olası değil. Araştırma kariyerimde çoğu yayın bunu doğruladı mevcut teoriler. Tekrarlanan anomaliler çok nadirdir.

Peki sonuç nedir? Olası yeni bir keşfe sevinmeli miyiz? Elbette olası keşifler her zaman ilgi çekicidir. Standart Model 50 yıldır testlere dayanıyor ancak hala açıklanamayan gizemler var ve bilim camiası her zaman yeni ve kanıtlanmamış teorilere işaret eden keşifler arıyor. Peki bu ölçümün ve teorinin bilim camiasını 12 fm menzilli beşinci bir kuvvetin ve protonlardan kaçınan bir parçacığın varlığını kabul etmeye yönlendirme şansı nedir? Bana öyle geliyor ki şansı çok az. Bu fikir konusunda iyimser değilim.

Elbette bir fikir, bilgilendirici olsa da sadece bir fikirdir. Diğer deneyler de karanlık fotonları arayacak çünkü Macaristan'daki ölçümler testleri geçemese bile karanlık madde sorunu hala mevcut olacak. Karanlık fotonların araştırılmasına yönelik birçok deney, Macar araştırmacılara göre anormalliğin bulunduğu aynı parametre uzayını (enerji, kütle ve bozunum modları) inceleyecektir. Bu anormalliğin bir keşif mi yoksa topluluğu geçici olarak rahatsız eden başka bir aksaklık mı olduğunu bir yıl içinde yakında öğreneceğiz; ancak daha doğru veriler elde edildiğinde silinecek. Ancak nasıl biterse bitsin sonuç yine de bilimin gelişmesi olacaktır.

Etiketler:

• beşinci etkileşim
• beşinci kuvvet
• kuantum fiziği
• standart Model

1.1. Yer çekimi.

1.2. Elektromanyetizma.

1.3. Zayıf etkileşim.

1.4. Fiziğin birliği sorunu.

2. Temel parçacıkların sınıflandırılması.

2.1. karakteristik atomaltı parçacıklar.

2.2. leptonlar.

2.3. Hadronlar.

2.4. Parçacıklar etkileşimlerin taşıyıcılarıdır.

3. Temel parçacık teorileri.

3.1. Kuantum elektrodinamiği.

3.2. Kuark teorisi.

3.3. Elektrozayıf etkileşim teorisi.

3.4. Kuantum kromodinamiği.

3.5. Büyük birleşme yolunda.

Kaynakça.

Giriiş.

Yirminci yüzyılın orta ve ikinci yarısında, maddenin temel yapısını inceleyen fizik dallarında gerçekten şaşırtıcı sonuçlar elde edildi. Her şeyden önce bu, bir dizi yeni atom altı parçacığın keşfiyle kendini gösterdi. Bunlara genellikle temel parçacıklar denir, ancak bunların hepsi gerçekten temel parçacıklar değildir. Birçoğu ise daha da temel parçacıklardan oluşuyor. Atom altı parçacıkların dünyası gerçekten çok çeşitlidir. Bunlara atom çekirdeğini oluşturan protonlar ve nötronların yanı sıra çekirdeğin etrafında dönen elektronlar da dahildir. Ancak etrafımızdaki maddede neredeyse hiç bulunmayan parçacıklar da var. Ömürleri son derece kısadır, saniyenin en küçük kesirleri kadardır. Bu son derece kısa sürenin ardından sıradan parçacıklara parçalanırlar. Bu tür kararsız kısa ömürlü parçacıkların şaşırtıcı sayıda var: bunlardan birkaç yüz tanesi zaten biliniyor. 1960'lı ve 1970'li yıllarda fizikçiler, yeni keşfedilen atom altı parçacıkların sayısı, çeşitliliği ve tuhaflığı karşısında tamamen şaşkına dönmüştü. Bunların sonu yok gibi görünüyordu. Neden bu kadar çok parçacığın olduğu tamamen belirsiz. Bu temel parçacıklar kaotik ve rastgele madde parçaları mı? Ya da belki de Evrenin yapısını anlamanın anahtarını taşıyorlar? Fiziğin sonraki yıllardaki gelişimi, böyle bir yapının varlığından şüphe duyulmadığını gösterdi. Yirminci yüzyılın sonunda. Fizik, temel parçacıkların her birinin önemini anlamaya başlıyor. Atom altı parçacıkların dünyası derin ve rasyonel bir düzen ile karakterize edilir. Bu düzen temel fiziksel etkileşimlere dayanmaktadır.

1. Temel fiziksel etkileşimler.

senin içinde Gündelik Yaşam Bir kişi vücuduna etki eden birçok kuvvetle karşı karşıya kalır. İşte rüzgarın kuvveti veya suyun akışı, hava basıncı, patlayıcı kimyasalların güçlü salınımı, insanın kas gücü, ağır nesnelerin ağırlığı, ışık kuantumunun basıncı, elektrik yüklerinin çekilmesi ve itilmesi, sismik dalgalar bazen felaketle sonuçlanan yıkıma ve uygarlığın ölümüne yol açan volkanik patlamalara neden olur, vb. Bazı kuvvetler doğrudan vücutla temas üzerine etki eder, diğerleri, örneğin yerçekimi, uzay yoluyla uzaktan etki eder. Ancak teorik doğa biliminin gelişmesinin bir sonucu olarak ortaya çıktığı gibi, bu kadar büyük çeşitliliğe rağmen, doğada faaliyet gösteren tüm kuvvetler sadece dört temel etkileşime indirgenebilir. Dünyadaki tüm değişimlerin nihai sorumlusu bu etkileşimlerdir; bedenlerin ve süreçlerin tüm dönüşümlerinin kaynağıdırlar. Temel etkileşimlerin özelliklerinin incelenmesi ana görev modern fizik.

Yer çekimi.

Fizik tarihinde yerçekimi (yerçekimi), bilimsel araştırmalara konu olan dört temel etkileşimden ilki olmuştur. 17. yüzyılda ortaya çıktıktan sonra. Newton'un yerçekimi teorisi - evrensel çekim yasası - ilk kez yerçekiminin bir doğa kuvveti olarak gerçek rolünü fark etmeyi başardı. Yerçekiminin onu diğer temel etkileşimlerden ayıran bir takım özellikleri vardır. Yer çekiminin en şaşırtıcı özelliği düşük yoğunluğudur. Bir hidrojen atomunun bileşenleri arasındaki yerçekimsel etkileşimin büyüklüğü, elektrik yüklerinin etkileşim kuvvetine bağlı olarak 10n'dir; burada n = - 3 9'dur. (Hidrojen atomunun boyutları elektrik yükleri arasındaki etkileşimle değil de yerçekimiyle belirlenseydi, o zaman elektronun en düşük (çekirdeğe en yakın) yörüngesinin boyutu Evrenin gözlemlenebilir kısmından daha büyük olurdu!) ( Hidrojen atomunun boyutları elektrik yükleri arasındaki etkileşimle değil de yerçekimiyle belirlenseydi, o zaman en düşük (çekirdeğe en yakın) elektron yörüngesinin boyutu Evrenin gözlemlenebilir kısmından daha büyük olurdu!). Çok zayıf olduğundan yerçekimini hissetmemiz şaşırtıcı görünebilir. Nasıl Evrendeki baskın güç haline gelebilir? Her şey yerçekiminin ikinci şaşırtıcı özelliğiyle ilgili: evrenselliği. Evrendeki hiçbir şey yerçekiminden muaf değildir. Her parçacık yerçekiminin etkisini yaşar ve kendisi de bir yerçekimi kaynağıdır. Maddenin her parçacığı bir çekim kuvveti uyguladığından, daha büyük madde yığınları oluştukça yerçekimi artar. Günlük yaşamda yerçekimini hissederiz çünkü Dünya'nın tüm atomları bizi çekmek için birlikte çalışır. Her ne kadar bir atomun yerçekimsel çekiminin etkisi ihmal edilebilir olsa da, tüm atomların ortaya çıkardığı çekim kuvveti önemli olabilir. Yerçekimi doğanın uzun menzilli bir kuvvetidir. Bu, yerçekimi etkileşiminin yoğunluğunun mesafeyle azalmasına rağmen uzayda yayıldığı ve kaynaktan çok uzaktaki cisimleri etkileyebileceği anlamına gelir. Astronomik ölçekte, yerçekimi etkileşimleri önemli bir rol oynama eğilimindedir. Uzun menzilli etki sayesinde, yerçekimi Evrenin parçalanmasını önler: gezegenleri yörüngelerde, yıldızları galaksilerde, galaksileri kümeler halinde, kümeleri Metagalaksi'de tutar. Parçacıklar arasında etkili olan yer çekimi kuvveti her zaman çekici bir kuvvettir: parçacıkları birbirine yaklaştırma eğilimindedir. Yerçekimsel itme daha önce hiç gözlemlenmemişti (Yarı bilimsel mitoloji geleneklerinde havaya yükselme adı verilen bir alan olmasına rağmen - yerçekimine karşı "gerçeklerin" araştırılması). Herhangi bir parçacıkta depolanan enerji her zaman pozitif olduğundan ve ona pozitif kütle verdiğinden, yerçekiminin etkisi altındaki parçacıklar her zaman birbirine yaklaşma eğilimindedir. Yerçekimi nedir, belirli bir alan mı yoksa uzay-zamanın eğriliğinin bir tezahürü mü - bu sorunun hala net bir cevabı yok. Daha önce de belirttiğimiz gibi bu konuda fizikçilerin farklı görüş ve anlayışları bulunmaktadır.

Elektromanyetizma.

Boyuta göre elektriksel kuvvetler yer çekiminden çok daha üstündür. Zayıf yerçekimsel etkileşimin aksine, normal büyüklükteki cisimler arasında etkili olan elektriksel kuvvetler kolaylıkla gözlemlenebilir. Elektromanyetizma çok eski zamanlardan beri insanlar tarafından bilinmektedir (auroralar, şimşek çakmaları vb.). Uzun bir süre elektriksel ve manyetik süreçler birbirinden bağımsız olarak incelendi. Zaten bildiğimiz gibi, elektromanyetizma bilgisine yönelik belirleyici adım 19. yüzyılın ortalarında atıldı. J.C. Maxwell, elektriği ve manyetizmayı birleşik bir elektromanyetizma teorisinde birleştirdi - ilk birleşik alan teorisi. Elektronun varlığı 1990'lı yıllarda kesin olarak kanıtlandı. Artık biliniyor ki elektrik şarjı Maddenin herhangi bir parçacığı her zaman temel yük biriminin katıdır - bir tür yük "atomu". Bunun neden böyle olduğu son derece ilginç bir sorudur. Ancak tüm maddi parçacıklar elektrik yükünün taşıyıcıları değildir. Örneğin foton ve nötrino elektriksel olarak nötrdür. Bu bakımdan elektrik yerçekiminden farklıdır. Tüm maddi parçacıklar bir çekim alanı yaratırken, elektromanyetik alan Yalnızca yüklü parçacıklar bağlanır. Elektrik yükleri gibi, manyetik kutuplar da birbirini iter, zıt kutuplar birbirini çeker. Bununla birlikte, elektrik yüklerinin aksine, manyetik kutuplar tek tek değil, yalnızca çiftler halinde oluşur. Kuzey Kutbu ve güney kutbu. Antik çağlardan beri, bir mıknatısı bölerek yalnızca tek bir izole manyetik kutup (bir tek kutup) elde etme girişimleri bilinmektedir. Ama hepsi başarısızlıkla sonuçlandı. Belki izole edilmiş varlığın manyetik kutuplar doğada imkansız mı? Bu sorunun henüz kesin bir cevabı yok. Bazı teorik kavramlar tek kutuplu olma ihtimaline izin verir. Elektriksel ve yerçekimsel etkileşimler gibi, manyetik kutupların etkileşimi de ters kare yasasına uyar. Sonuç olarak, elektrik ve manyetik kuvvetler “uzun menzillidir” ve etkileri kaynaktan çok uzak mesafelerde hissedilir. Böylece Dünya'nın manyetik alanı uzayın derinliklerine kadar uzanır. Güneş'in güçlü manyetik alanı tüm Güneş Sistemini doldurmaktadır. Ayrıca galaktik manyetik alanlar da vardır. Elektromanyetik etkileşim atomların yapısını belirler ve fiziksel ve fiziksel olayların büyük çoğunluğundan sorumludur. kimyasal olaylar ve süreçler (nükleer hariç).

Zayıf etkileşim.

Fizik, zayıf etkileşimin varlığını belirlemeye doğru yavaş yavaş ilerledi. Parçacık bozunumlarından zayıf kuvvet sorumludur; ve bu nedenle tezahürü, radyoaktivitenin keşfi ve beta bozunmasının incelenmesiyle karşı karşıya kaldı. Beta bozunması bulundu en yüksek derece garip özellik. Araştırmalar, bu çürümenin fiziğin temel yasalarından biri olan enerjinin korunumu yasasını ihlal ettiği sonucuna varmıştır. Görünüşe göre bu çürümede enerjinin bir kısmı bir yerlerde kaybolmuştu. Enerjinin korunumu yasasını "kurtarmak" için W. Pauli, beta bozunması sırasında elektronla birlikte başka bir parçacığın da yayıldığını öne sürdü. Nötrdür ve alışılmadık derecede yüksek bir nüfuz etme kabiliyetine sahiptir, bu nedenle gözlemlenememektedir. E. Fermi görünmez parçacığa "nötrino" adını verdi. Ancak nötrinoların tahmini ve tespiti sorunun, formülasyonunun yalnızca başlangıcıdır. Nötrinoların doğasını açıklamak gerekiyordu ama burada hâlâ pek çok gizem vardı. Gerçek şu ki hem elektronlar hem de nötrinolar kararsız çekirdekler tarafından yayılıyor. Ancak çekirdeklerin içinde böyle parçacıkların olmadığı reddedilemez bir şekilde kanıtlandı. Nasıl ortaya çıktılar? Çekirdekte elektron ve nötrinoların bulunmadığı ileri sürülmüştür. bitmiş form", ancak bir şekilde radyoaktif bir çekirdeğin enerjisinden oluşur. Daha ileri araştırmalar, çekirdeğe dahil olan nötronların, birkaç dakika sonra kendi cihazlarına bırakıldığını, bir proton, elektron ve nötrinoya bozunduğunu, yani. tek parçacık yerine, üç yenisi ortaya çıktı. Analiz şu sonuca vardı: bilinen kuvvetler böyle bir parçalanmaya neden olamaz. Görünüşe göre başka, bilinmeyen bir güç tarafından üretilmiş. Araştırmalar bu kuvvetin bazı zayıf etkileşimlere karşılık geldiğini göstermiştir. Yerçekiminden daha güçlü olmasına rağmen, elektromanyetikten çok daha zayıftır. Çok kısa mesafelere yayılır. Zayıf etkileşimin yarıçapı çok küçüktür. Zayıf etkileşim, kaynaktan 10n cm'den daha büyük bir mesafede durur (burada n = - 1,6) ve bu nedenle makroskobik nesneleri etkileyemez, ancak bireysel atom altı parçacıklarla sınırlıdır. Daha sonra kararsız temel parçacıkların çoğunun zayıf etkileşimlere katıldığı ortaya çıktı. Zayıf etkileşim teorisi 60'ların sonlarında S. Weinberg ve A. Salam tarafından oluşturuldu. Maxwell'in elektromanyetik alan teorisinden bu yana, bu teorinin yaratılması fiziğin birliğine doğru atılan en büyük adımdı. 10.

Güçlü etkileşim.

Temel etkileşimler serisinin sonuncusu, muazzam bir enerji kaynağı olan güçlü etkileşimdir. En tipik örnek Güçlü etkileşimin açığa çıkardığı enerji Güneşimizdir. Güneşin ve yıldızların derinliklerinde belirli bir zamandan başlayarak sürekli olarak güçlü etkileşimin neden olduğu termonükleer reaksiyonlar meydana gelir. Ancak insan aynı zamanda güçlü etkileşimleri serbest bırakmayı da öğrendi: Bir hidrojen bombası yaratıldı, kontrollü termonükleer reaksiyonlara yönelik teknolojiler tasarlandı ve geliştirildi. Fizik, atom çekirdeğinin yapısının incelenmesi sırasında güçlü etkileşimin varlığı fikrine geldi. Bir miktar kuvvetin protonları çekirdekte tutması ve elektrostatik itmenin etkisi altında saçılmalarını önlemesi gerekir. Yerçekimi bunun için çok zayıf; Açıkçası, elektromanyetikten daha güçlü bazı yeni etkileşimlere ihtiyaç var. Daha sonra keşfedildi. Güçlü etkileşimin büyüklüğü bakımından diğer tüm temel etkileşimleri önemli ölçüde aşmasına rağmen çekirdeğin dışında hissedilmediği ortaya çıktı. Eylem yarıçapı yeni güççok küçük olduğu ortaya çıktı. Güçlü kuvvet, proton veya nötrondan yaklaşık 10n cm'den (burada n = - 13) daha büyük bir mesafede keskin bir şekilde düşer. Ayrıca tüm parçacıkların güçlü etkileşimler yaşamadığı ortaya çıktı. Protonlar ve nötronlar tarafından deneyimlenir, ancak elektronlar, nötrinolar ve fotonlar buna tabi değildir. Güçlü etkileşimlere yalnızca daha ağır parçacıklar katılır. Güçlü etkileşimin doğasına ilişkin teorik açıklamayı geliştirmek zor olmuştur. Kuark modelinin önerildiği 60'lı yılların başında bir atılım meydana geldi. Bu teoride nötronlar ve protonlar temel parçacıklar olarak değil, kuarklardan oluşan bileşik sistemler olarak kabul edilir. Böylece temel fiziksel etkileşimlerde uzun menzilli ve kısa menzilli kuvvetler arasındaki fark açıkça görülebilir. Bir yanda sınırsız menzilli etkileşimler (yerçekimi, elektromanyetizma), diğer yanda kısa menzilli etkileşimler (güçlü ve zayıf) vardır. Bir bütün olarak fiziksel elementlerin dünyası, bu iki kutbun birliğinde ortaya çıkar ve son derece küçük ve son derece büyük olanın birliğinin somutlaşmış halidir - mikro dünyadaki kısa menzilli eylem ve Evren boyunca uzun menzilli eylem.

Fiziğin birliği sorunu.

Bilgi, gerçekliğin genelleştirilmesidir ve bu nedenle bilimin amacı, farklı bilgi parçalarını tek bir resimde birleştirerek doğadaki birliği aramaktır. Birleşik bir sistem oluşturmak için çeşitli bilgi dalları arasında bir bağlantı bağlantısı, bazı temel ilişkiler açmak gerekir. Bu tür bağlantı ve ilişkilerin araştırılması bilimsel araştırmanın ana görevlerinden biridir. Bu tür yeni bağlantılar kurmak mümkün olduğunda, çevredeki dünyaya dair anlayış önemli ölçüde derinleşir, daha önce bilinmeyen fenomenlere giden yolu gösteren yeni bilme yolları oluşturulur. Doğanın farklı alanları arasında derin bağlantılar kurmak hem bir bilgi sentezi hem de bilimsel araştırmalara yeni, ayak basılmamış yollarda rehberlik eden bir yöntemdir. Newton'un cisimlerin çekimi arasındaki bağlantıyı keşfetmesi karasal koşullar ve gezegenlerin hareketi doğumu işaret ediyordu Klasik mekanik teknolojik temelin oluşturulduğu temel modern uygarlık. Gazın termodinamik özellikleri ile moleküllerin kaotik hareketi arasında bir bağlantının kurulması, maddenin atomik-moleküler teorisini sağlam bir temele oturtmaktadır. Geçen yüzyılın ortalarında Maxwell, hem elektriksel hem de manyetik olayları kapsayan birleşik bir elektromanyetik teori yarattı. Daha sonra yüzyılımızın 20'li yıllarında Einstein birleştirmek için girişimlerde bulundu. birleşik teori elektromanyetizma ve yerçekimi. Ancak yirminci yüzyılın ortalarında. Fizikteki durum kökten değişti: iki yeni temel etkileşim keşfedildi - güçlü ve zayıf, yani. Birleşik bir fizik yaratılırken iki değil dört temel etkileşimin hesaba katılması gerekir. Bu, umut edenlerin şevkini bir nebze olsun serinletti. hızlı karar bu sorun. Ancak fikrin kendisi ciddi bir şekilde sorgulanmadı ve tek bir açıklama fikrine duyulan coşku ortadan kalkmadı. Dört (veya en az üç) etkileşimin tamamının aynı doğadaki fenomeni temsil ettiği ve bunların birleşik teorik açıklamalarının bulunması gerektiği yönünde bir bakış açısı vardır. Tek bir temel etkileşime dayanan fiziksel öğeler dünyasının birleşik bir teorisini yaratma ihtimali hala çok çekici. 20. yüzyıl fizikçilerinin temel hayali budur. Ancak uzun bir süre boyunca bu yalnızca bir rüya olarak kaldı ve oldukça belirsiz bir rüyaydı. Ancak yirminci yüzyılın ikinci yarısında. Bu hayalin gerçekleşmesi ve bunun hiçbir şekilde uzak bir gelecek meselesi olmadığına dair güvenin gerçekleşmesi için önkoşullar vardı. Yakında gerçeğe dönüşebilecek gibi görünüyor. Birleşik bir teoriye doğru belirleyici adım 60-70'lerde atıldı. önce kuark teorisinin, ardından da elektrozayıf etkileşim teorisinin yaratılmasıyla. Her zamankinden daha güçlü ve daha derin bir birleşmenin eşiğinde olduğumuza inanmak için nedenler var. Fizikçiler arasında, tüm temel etkileşimlerin birleşik teorisinin (Büyük Birleşme) ana hatlarının ortaya çıkmaya başladığına dair büyüyen bir inanç var.

2 . Temel parçacıkların sınıflandırılması.

Birbirine indirgenemeyen 4 tür temel etkileşim vardır.

Temel parçacıklar bilinen her türlü etkileşime katılır.

Bunları azalan yoğunluk sırasına göre ele alalım:

1) güçlü,

2) elektromanyetik,

3) zayıf

4) yerçekimi.

Güçlü etkileşim atom çekirdeği seviyesinde meydana gelir ve onları oluşturan parçaların karşılıklı çekiciliğini temsil eder. Yaklaşık 10 -13 cm mesafede çalışır.

Bunun sonucunda güçlü etkileşimler oluşur. malzeme sistemleriİle yüksek enerji bağlar - atom çekirdekleri. Bu nedenle atom çekirdekleri çok kararlıdır ve yok edilmesi zordur.

Elektromanyetik etkileşim güçlü olandan yaklaşık bin kat daha zayıftır, ancak çok daha uzak mesafelerde hareket eder. Bu tür etkileşim, elektrik yüklü parçacıkların karakteristiğidir. Elektromanyetik etkileşim sürecinde elektronlar ve atom çekirdekleri atomlarda, atomlar ise moleküllerde birleşir. Bir bakıma bu etkileşim kimya ve biyolojide temeldir.

Zayıf etkileşim muhtemelen farklı parçacıklar arasında. 10 -15 -10 -22 cm mertebesinde bir mesafe boyunca uzanır ve esas olarak parçacıkların bozunması ile ilişkilidir. Mevcut bilgi durumuna göre çoğu parçacık tam olarak zayıf etkileşim nedeniyle kararsızdır. Örnek olarak atom çekirdeğinde neler olur? nötron dönüşümü, bir proton, elektron ve antinötrinoya dönüşür.

Yerçekimi etkileşimi en zayıfıdır ve son derece küçük etkiler verdiği için temel parçacıklar teorisinde dikkate alınmaz. Kozmik ölçekte yerçekimi etkileşimi belirleyici öneme sahiptir. Etki alanı sınırlı değildir.

Temel parçacıkların dönüşümünün meydana geldiği süre, etkileşimin gücüne bağlıdır.

Güçlü etkileşimlerle ilişkili nükleer reaksiyonlar 10 -24 -10 -23 saniye içinde gerçekleşir.

Elektromanyetik etkileşimlerin neden olduğu değişiklikler 10 -19 -10 -21 saniye içinde gerçekleşir.

Zayıf etkileşimle ilişkili temel parçacıkların bozunması ortalama 10-21 saniye sürer.

Bu dört etkileşim, çeşitlilik içeren bir dünya inşa etmek için gerekli ve yeterlidir.

Güçlü etkileşimler olmasaydı atom çekirdekleri var olmazdı, yıldızlar ve Güneş enerji üretemezdi. nükleer enerji sıcaklık ve ışık.

Elektromanyetik etkileşimler olmasaydı atomlar, moleküller, makroskobik nesneler, ısı ve ışık olmazdı.

Zayıf etkileşimler olmasaydı, Güneş'in ve yıldızların derinliklerindeki nükleer reaksiyonlar mümkün olmazdı, süpernova patlamaları meydana gelmez, yaşam için gerekli olan ağır elementler Evren'e yayılamazdı.

Yerçekimi etkileşimi olmasaydı, yalnızca galaksiler, yıldızlar, gezegenler olmazdı, aynı zamanda tüm Evren gelişemezdi, çünkü yerçekimi, bir bütün olarak Evrenin birliğini ve evrimini sağlayan birleştirici bir faktördür.

Temel parçacıklardan karmaşık ve çeşitli elementler yaratmak için gerekli dört temel etkileşimin tümü materyal Dünya, tek bir temel etkileşimden elde edilebilir - süper güçler .

Çok yüksek sıcaklıklarda (veya enerjilerde) dört etkileşimin tamamının tek bir etkileşimde birleştiği teorik olarak kanıtlanmıştır.

100 GeV enerjide elektromanyetik ve zayıf etkileşimler birleşir. Bu sıcaklık Evrenin 10-10 saniyedeki sıcaklığına karşılık gelir. Büyük Patlama'dan sonra.

1015 GeV enerjide güçlü bir etkileşim onlara katılıyor.

1019 GeV enerjide dört etkileşimin tümü birleşir.

1 GeV = 1 milyar elektron volt

Temel parçacık araştırmaları alanındaki ilerlemeler atomizm kavramının daha da gelişmesine katkıda bulunmuştur.

Şu anda birçok temel parçacık arasında ayrım yapabileceğimize inanılıyor. 12 temel parçacık ve aynı miktarda antipartiküller .

Altı parçacık egzotik isimlere sahip kuarklardır:

“üst”, “alt”, “büyülenmiş”, “tuhaf”, “gerçek”, “büyüleyici”.

Geriye kalan altısı leptondur: elektron , müon , tau parçacığı ve bunlara karşılık gelen nötrinolar (elektron, müon, tau nötrinoları).

Sıradan madde birinci nesil parçacıklardan oluşur.

Geriye kalan nesillerin yüklü parçacık hızlandırıcılarda yapay olarak oluşturulabileceği varsayılmaktadır.

Fizikçiler kuark modelini temel alarak şunları geliştirdiler: modeli atomların yapısı.

Her atom, ağır bir çekirdekten (proton ve nötronların gluon alanlarına güçlü bir şekilde bağlı) ve bir elektron kabuğundan oluşur.

Çekirdekteki proton sayısı seri numarası içindeki eleman periyodik tablo elementler D.I. Mendeleev.

Bir protonun kütlesinin 1836 katı kadar pozitif elektrik yükü vardır daha fazla kütle elektronun boyutları yaklaşık 10 -13 cm'dir.

Bir nötronun elektrik yükü sıfırdır.

Kuark hipotezine göre bir proton, iki "yukarı" kuarktan ve bir "aşağı" kuarktan ve bir "yukarı" ve iki "aşağı" kuarktan oluşan bir nötrondan oluşur. Katı bir top olarak hayal edilemezler; daha ziyade, doğup kaybolan sanal parçacıklardan oluşan bulanık sınırları olan bir buluta benzerler.

Kuarkların ve leptonların kökeni, doğanın ana “ilk yapı taşları” olup olmadıkları ve ne kadar temel oldukları konusunda hâlâ çözülmemiş sorular var. Bu soruların cevapları modern kozmolojide aranmaktadır.

Temel parçacıkların boşluktan doğuş süreçlerinin incelenmesi ve Evrenin doğuş anında belirli parçacıkları üreten birincil nükleer füzyon modellerinin oluşturulması büyük önem taşımaktadır.

Parçacıklar etkileşimlerin taşıyıcılarıdır