• 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 Modern parçacık fiziğini yöneten Standart Modelde. 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 fiziği hakkında. Bu yayınla araştırmacılar ve çalışmaları etkileyici bir engelin üstesinden geldi.

Bu ölçüm, Irvine'deki Kaliforniya Üniversitesi'nden (UCI) bir grup teorik fizikçi bunu fark edene kadar pek fark edilmemişti. 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 yerçekimine maruz kalan ve diğerlerinden hiçbiri olmayan kararlı büyük parçacık bilinen kuvvetler Sıradan maddenin katılmadığı etkileşimlere karanlık maddenin de 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 onaylamak 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 şahsen tanıyorum, ikisi de orada aptalca bir şey söylemediğimden emin olmak için yazdığım kitabın bölümlerindeki teorik kısımları okudular (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 çokça 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 şahsen 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

Maddenin en önemli özellikleri hareket ve etkileşimdir. İÇİNDE geniş anlamda Hareket doğada meydana gelen herhangi bir değişiklik olarak anlaşılmaktadır. Tüm hareket biçimlerinin ortak bir yanı vardır. Hepsi bedenlerin etkileşimine geliyor. Herhangi bir nesnenin var olması, etkileşimde bulunmak, kendisini diğer bedenlerle ilişkili olarak bir şekilde tezahür ettirmek anlamına gelir. Yüzyıllar boyunca bilimde iki temel prensip ortaya çıktı: Farklı yollar etkileşim mekanizmasının açıklamaları – Uzun menzilli ve kısa menzilli eylem ilkeleri.

Tarihsel olarak ilk kez I. Newton tarafından formüle edilmiştir. uzun menzilli prensip buna göre cisimler arasındaki etkileşim herhangi bir malzeme taşıyıcısı olmadan herhangi bir mesafede anında gerçekleşir. 19. yüzyılda M. Faraday tarafından bilime tanıtıldı kısa menzil prensibi Daha sonra açıklığa kavuşturuldu: Etkileşim, alan tarafından bir noktadan diğerine, boşluktaki ışık hızını aşmayan bir hızda aktarılır. Modern fizik açısından etkileşim her zaman kısa mesafeli eylem ilkesine uyar. Ancak açıklanan birçok problemde mekanik süreçler Yavaş hareket eden nesnelerde, kısa mesafeli eylemin yaklaşık ilkesi kullanılabilir.

Etkileşimlerin doğası değişebilir. Şu anda fizikçiler dört türü birbirinden ayırıyor temel etkileşimler: yerçekimi, elektromanyetik, güçlü ve zayıf.

Yerçekimi etkileşimi ilk olarak bilim adamlarının araştırma konusu oldu. Klasik (Newtoncu) yerçekimi teorisi 17. yüzyılda yaratıldı. kanunun açılmasından sonra evrensel yerçekimi. Bu bilinen tüm etkileşimlerin en zayıfıdır; etkileşim kuvvetinden 10 40 kat daha zayıftır. elektrik ücretleri. Ancak bu çok zayıf kuvvet Evrenin yapısını belirler: eğitim uzay sistemleri gezegenlerin, yıldızların, galaksilerin varlığı. Yerçekimi etkileşimi evrenseldir ve kendisini yalnızca çekici bir güç olarak gösterir. Sadece kütlesi olan tüm cisimleri değil aynı zamanda alanları da içerir. Etkileşen cisimlerin kütlesi ne kadar büyük olursa, o kadar büyük olur. Bu nedenle mikro dünyada yerçekimi kuvveti önemli bir rol oynamaz, ancak makro dünyada ve mega dünyada hakimdir. Yerçekimi uzun menzilli bir kuvvettir. Yoğunluğu mesafe arttıkça azalır ancak çok fazla etkilemeye devam eder. uzun mesafeler.

Elektromanyetik etkileşim aynı zamanda evrenseldir ve herhangi bir cisim arasında etki eder, ancak yerçekimi etkileşiminden farklı olarak hem çekim hem de itme biçiminde kendini gösterir. Elektromanyetik bağlantılar sayesinde atomlar, moleküller ve makro cisimler ortaya çıkar. Hepsi kimyasal ve biyolojik süreçler– tezahürler elektromanyetik etkileşim. Tüm sıradan kuvvetler ona indirgenmiştir: esneklik, sürtünme, yüzey gerilimi vb. Büyüklüğü açısından, bu etkileşim yerçekimi etkileşiminden çok daha büyüktür, dolayısıyla etkisini sıradan büyüklükteki cisimler arasında bile gözlemlemek kolaydır. Aynı zamanda uzun menzillidir, etkisi kaynaktan uzak mesafelerde bile farkedilir. Uzaklaştıkça azalır ama kaybolmaz. Elektromanyetik etkileşim, kuantum elektrodinamiği adı verilen fiziksel bir teoride tanımlanır.

Atom çekirdeğinin yapısının incelenmesi, nükleer ölçekte (~10-15 m) elektromanyetik olandan iki ila üç kat daha büyük olduğu için güçlü olarak adlandırılan yeni bir etkileşim türünün keşfedilmesine yol açtı. ve çekirdekteki eşit yüklü protonların neden birbirinden ayrılmadığını açıklamamızı sağlar. Güçlü etkileşim Güç açısından birinci sırada yer alır ve muazzam bir enerji kaynağıdır. Atom çekirdeğindeki kuarkları ve antikuarkları birbirine bağlar. Kısa menzillidir ve sınırlı bir etki aralığına sahiptir - 10-15 m'ye kadar Güçlü etkileşim kuantum renk dinamiği çerçevesinde tanımlanmaktadır.

Daha sonra dördüncü tür etkileşim keşfedildi: zayıf etkileşim, dönüşümlerden sorumlu temel parçacıklar sadece mikrokozmosta değil, birçok olayda da önemli bir rol oynar. kozmik ölçek. Yoğunluk bakımından üçüncü sırada yer alır (elektromanyetik ve yerçekimsel etkileşimler arasında) ve kısa menzillidir.

Etkileşim mekanizması genellikle enerjinin temel kısımlarını (kuanta) taşıyan ara parçacıkların değişimi olarak yorumlanır. Her etkileşimin belirli bir tür temel parçacık - bozonlar tarafından taşındığına inanılmaktadır:

· zayıf etkileşimlerde aracılar mezonlar;

· elektromanyetikte – fotonlar;

· güçlü etkileşimler gerçekleşir gluonlar(İngilizce) zamk- yapıştırıcı), kuarkları parçacığın içinde sıkıca tutacak kadar çok enerji taşır;

· yerçekimi etkileşimi yer çekimi kuantumu tarafından taşınır gravitonlar Henüz deneysel olarak keşfedilmemiş olan.

Dört tür etkileşimin her biri için oluşturulan teorilerin farklı olduğu ortaya çıktı ve fizikçiler bundan hoşlanmadı. Onları birleştirmek istedim. İyi bir örnek 19. yüzyılda J. Maxwell tarafından oluşturulan birleşik bir elektromanyetik etkileşim teorisi olarak hizmet etti. 60-70'lerin başında. Yirminci yüzyılda üç fizikçinin (S. Weinberg, S. Glashow, A. Salam) çabalarıyla elektromanyetik ve zayıf etkileşim teorilerini birleştirmek mümkün oldu. Birleşik elektrozayıf etkileşimi taşıyan bir kuantum, biri fotonik, diğer üçü ise dört durumda mevcut olabilir. büyük kütle. Böyle bir kombinasyon, oda sıcaklığından 4 trilyon kat daha yüksek sıcaklıklara karşılık gelen 10 11 eV düzeyinde enerji gerektirir.

Şimdi fizikçiler, güçlü etkileşimleri içerecek bir Büyük Birleşme teorisi oluşturmakla meşguller. Aranan kuantum aracısının çok boyutlu olması gerekir ve bu birleşmeyi gerçekleştirmek için gereken enerjiye modern kurulumlarda ulaşılamaz. Yerçekimini de içeren süper birleşme projesi hâlâ yalnızca bir hayal olarak varlığını sürdürüyor.

Birçok temel kavram modern doğa bilimi Temel etkileşimlerin tanımıyla doğrudan veya dolaylı olarak ilgilidir. Etkileşim ve hareket, maddenin en önemli özellikleridir ve onlar olmadan varlığı imkansızdır. Etkileşim, çeşitli maddi nesnelerin sistemler halinde birleştirilmesini belirler; sistemik organizasyon konu. Maddi nesnelerin birçok özelliği, birbirleriyle olan etkileşimlerinden kaynaklanır ve birbirleriyle olan yapısal bağlantılarının ve dış çevre ile etkileşimlerinin sonucudur.

Artık biliniyor dört tür temel temel etkileşim:

· yerçekimsel;

· elektromanyetik;

· güçlü;

· zayıf.

Yerçekimi etkileşimi doğalarına bakılmaksızın tüm maddi nesnelerin karakteristiğidir. İçinde yatıyor karşılıklı çekim organlar ve temel tarafından belirlenir evrensel çekim kanunu: ikisi arasında nokta cisimleri kütlelerinin çarpımı ile doğru orantılı, aralarındaki mesafenin karesi ile ters orantılı bir çekim kuvveti vardır. Yerçekimi etkileşimi, Dünya'nın yerçekimi kuvvetleri alanındaki cisimlerin düşüşünü belirler. Evrensel çekim yasası örneğin gezegenlerin hareketini açıklar. Güneş Sistemi ve diğer makro nesnelerinin yanı sıra. Yerçekimi etkileşiminin belirli temel parçacıklardan kaynaklandığı varsayılmaktadır. gravitonlar varlığı henüz deneysel olarak doğrulanmamıştır.

Elektromanyetik etkileşim elektrikle ilgili ve manyetik alanlar. Elektrik yüklerinin varlığında bir elektrik alanı ortaya çıkar ve hareket ettiklerinde bir manyetik alan oluşur. Doğada hem pozitif hem de negatif masraflar elektromanyetik etkileşimin doğasını belirleyen. Örneğin, yüklü cisimler arasındaki elektrostatik etkileşim, yükün işaretine bağlı olarak çekme veya itme şeklinde azalır. Yükler hareket ettiğinde, işaretlerine ve hareket yönlerine bağlı olarak aralarında çekme ya da itme meydana gelir. Bir maddenin çeşitli toplanma durumları, sürtünme olgusu, bir maddenin elastikliği ve diğer özellikleri öncelikle kuvvetler tarafından belirlenir. moleküller arası etkileşim doğası gereği elektrostatiktir. 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.

Güçlü etkileşimÇekirdekteki nükleonların bağlantısını sağlar ve belirler nükleer kuvvetler. Nükleonlar arasındaki değişim sırasında nükleer kuvvetlerin ortaya çıktığı varsayılmaktadır. sanal parçacıklar – mezonlar.

Nihayet, zayıf etkileşim Bazı nükleer süreç türlerini açıklar. Kısa etkilidir ve her türlü beta dönüşümünü karakterize eder.

Genellikle için niceliksel analiz Listelenen etkileşimler iki özelliği kullanır: boyutsuz sabit etkileşim, etkileşimin büyüklüğünü ve eylem aralığını belirler (Tablo 3.1).

Tablo 3.1

Tabloya göre. 3.1'de yerçekimsel etkileşim sabitinin en küçük olduğu açıktır. Elektromanyetik etkileşim gibi etki alanı sınırsızdır. Klasik görüşe göre yerçekimsel etkileşim, mikro dünyanın süreçlerinde önemli bir rol oynamaz. Ancak makro süreçlerde belirleyici rol oynar. Örneğin, güneş sistemindeki gezegenlerin hareketi, yerçekimi etkileşimi yasalarına tam olarak uygun olarak gerçekleşir.

Güçlü etkileşim, çekirdeğin stabilitesinden sorumludur ve yalnızca çekirdeğin boyutuna kadar uzanır. Bir çekirdekteki nükleonların etkileşimi ne kadar güçlü olursa, o kadar kararlı olur, etkileşimin olduğu mesafelerde nükleonları ayırmak ve birbirlerinden uzaklaştırmak için yapılması gereken iş tarafından belirlenen bağlanma enerjisi o kadar büyük olur. sıfıra eşit. Çekirdeğin boyutu arttıkça bağlanma enerjisi azalır. Bu nedenle periyodik tablonun sonundaki elementlerin çekirdekleri kararsızdır ve bozunabilir. Bu işleme genellikle denir radyoaktif bozunma.

Atomlar ve moleküller arasındaki etkileşim ağırlıklı olarak elektromanyetik doğa. Bu etkileşim çeşitli oluşumların oluşumunu açıklamaktadır. toplanma durumları maddeler: katı, sıvı ve gaz. Örneğin katı haldeki bir maddenin molekülleri arasında çekim şeklindeki etkileşim, gaz halindeki aynı moleküller arasındaki etkileşimden çok daha güçlüdür.

Etkileşim yeteneği, maddenin en önemli ve ayrılmaz özelliğidir. Mega, makro ve mikro dünyanın çeşitli maddi nesnelerinin sistemler halinde birleştirilmesini sağlayan etkileşimlerdir. Hepsi ünlü modern bilim kuvvetler temel olarak adlandırılan dört tür etkileşime indirgenir: yerçekimi, elektromanyetik, zayıf ve güçlü.

Yerçekimi etkileşimi ilk kez 17. yüzyılda fizik biliminin inceleme konusu haline geldi. I. Newton'un evrensel çekim yasasına dayanan yerçekimi teorisi, bileşenlerden biri haline geldi Klasik mekanik. Evrensel çekim yasası şunu belirtir: İki cisim arasında, kütlelerinin çarpımı ile doğru orantılı ve aralarındaki mesafenin karesi ile ters orantılı olan bir çekim kuvveti vardır (2.3). Herhangi bir maddi parçacık, yerçekimi etkisinin kaynağıdır ve bunu kendi üzerinde deneyimler. Kütle arttıkça yerçekimi etkileşimleri de artar. daha fazla kütle etkileşime giren maddeler, yerçekimi kuvvetlerinin etkisi ne kadar güçlü olursa. Yerçekimi kuvvetleri çekim kuvvetleridir. İÇİNDE Son zamanlarda fizikçiler, Evrenin varlığının ilk anlarında etkili olan yerçekimsel itme kuvvetinin varlığını öne sürdüler (4.2), ancak bu fikir henüz doğrulanmadı. Yerçekimi etkileşimi şu anda bilinenlerin en zayıfıdır. Yer çekimi gücüçok uzun mesafelerde etki eder, mesafe arttıkça yoğunluğu azalır, ancak tamamen kaybolmaz. Yerçekimi etkileşiminin taşıyıcısının varsayımsal parçacık gravitonu olduğuna inanılmaktadır. Mikro dünyada yerçekimi etkileşimi önemli bir rol oynamaz, ancak makro ve özellikle mega süreçlerde öncü bir rol oynar.

Elektromanyetik etkileşim 19. yüzyıl fiziğinin çalışma konusu haline geldi. İlk birleşik teori elektromanyetik alan J. Maxwell (2.3) kavramı tanıtıldı. Yerçekimi kuvvetinden farklı olarak, elektromanyetik etkileşimler yalnızca yüklü parçacıklar arasında mevcuttur: elektrik alanı iki sabit yüklü parçacık arasındadır, manyetik alan ise iki hareketli yüklü parçacık arasındadır. Elektromanyetik kuvvetler çekici veya itici kuvvetler olabilir. Olası yüklü parçacıklar birbirini iter, zıt yüklü parçacıklar ise çeker. Bu tür etkileşimin taşıyıcıları fotonlardır. Elektromanyetik etkileşim mikro, makro ve mega dünyalarda kendini gösterir.

20. yüzyılın ortalarında. yaratıldı kuantum elektrodinamiği – temel ilkeleri karşılayan bir elektromanyetik etkileşim teorisi kuantum teorisi ve görelilik teorisi. 1965 yılında yazarları S. Tomanaga, R. Feynman ve J. Schwinger Nobel Ödülü'ne layık görüldü. Kuantum elektrodinamiği, yüklü parçacıkların (elektronlar ve pozitronlar) etkileşimini açıklar.

Zayıf etkileşim ancak 20. yüzyılda, 1960'larda keşfedildi. inşa edilmiş genel teori zayıf etkileşim. Zayıf kuvvet parçacıkların bozunmasıyla ilişkilidir, dolayısıyla keşfi ancak radyoaktivitenin keşfinden sonra gerçekleşti. Gözlemlerken radyoaktif bozunma parçacıklar, enerjinin korunumu yasasıyla çelişiyor gibi görünen olaylar keşfedildi. Gerçek şu ki, çürüme süreci sırasında enerjinin bir kısmı “kayboldu”. Fizikçi W. Pauli, bir maddenin radyoaktif bozunması sürecinde, elektronla birlikte yüksek nüfuz gücüne sahip bir parçacığın salındığını öne sürdü. Bu parçacığa daha sonra "nötrino" adı verildi. Zayıf etkileşimlerin bir sonucu olarak, atom çekirdeğini oluşturan nötronların üç tür parçacığa bozunduğu ortaya çıktı: pozitif yüklü protonlar, negatif yüklü elektronlar ve nötr nötrinolar. Zayıf etkileşim, elektromanyetik etkileşimden çok daha küçüktür, ancak yerçekimi etkileşiminden daha büyüktür ve onlardan farklı olarak, 10-22 cm'den fazla olmayan küçük mesafelere yayılır. Bu yüzden uzun zamandır deneysel olarak zayıf etkileşim gözlemlenmedi. Zayıf etkileşimin taşıyıcıları bozonlardır.

1970 lerde genel bir elektromanyetik ve zayıf etkileşim teorisi oluşturuldu. elektrozayıf etkileşim teorisi. Yaratıcıları S. Weinberg, A. Salam ve S. Glashow 1979'da Nobel Ödülü. Elektrozayıf etkileşim teorisi, iki tür temel etkileşimi, tek ve daha derin bir etkileşimin tezahürleri olarak kabul eder. Böylece, 10-17 cm'den daha uzak mesafelerde olayın elektromanyetik yönü baskın çıkarken, 10-17 cm'den daha küçük mesafelerde olayın elektromanyetik yönü baskın çıkar. aynı derecede Hem elektromanyetik hem de zayıf yönler önemlidir. Söz konusu teorinin yaratılması şu anlama geliyordu: klasik fizik XIX. yüzyılda Faraday-Maxwell teorisi çerçevesinde, XX. yüzyılın son üçte birinde elektrik, manyetizma ve ışık. zayıf etkileşim fenomeni ile desteklenir.

Güçlü etkileşim da ancak 20. yüzyılda keşfedildi. Protonları atomun çekirdeğinde tutarak elektromanyetik itici kuvvetlerin etkisi altında saçılmalarını önler. Güçlü etkileşim 10-13 cm'yi geçmeyen mesafelerde meydana gelir ve çekirdeklerin stabilitesinden sorumludur. Periyodik tablonun sonundaki elementlerin çekirdekleri yarıçaplarının büyük olması nedeniyle kararsızdır ve buna bağlı olarak güçlü etkileşimin şiddeti kaybolur. Bu tür çekirdekler radyoaktif olarak adlandırılan bozunmaya maruz kalır. Eğitimden güçlü etkileşim sorumludur atom çekirdeği, buna yalnızca ağır parçacıklar katılır: protonlar ve nötronlar. Nükleer etkileşimler parçacık yüküne bağlı değildir; bu tür etkileşimlerin taşıyıcıları gluonlardır. Gluonlar, güçlü etkileşimin meydana geldiği bir gluon alanı (elektromanyetik alana benzer) halinde birleştirilir. Güçlü etkileşim, gücü açısından bilinen diğer etkileşimleri aşar ve muazzam bir enerji kaynağıdır. Örnek güçlü etkileşim rol yapmak termonükleer reaksiyonlar Güneş'te ve diğer yıldızlarda. Hidrojen silahları oluşturmak için güçlü etkileşim ilkesi kullanıldı.

Güçlü etkileşim teorisine denir kuantum kromodinamiği. Bu teoriye göre güçlü etkileşim, hadronlardaki kuarkların bağlanmasıyla sonuçlanan gluon değişiminin sonucudur. Kuantum renk dinamiği gelişmeye devam ediyor ve her ne kadar henüz güçlü etkileşimin tam bir kavramı olarak kabul edilemese de, bu fiziksel teori Sağlam bir deneysel temele sahiptir.

İÇİNDE modern fizik arama devam ediyor birleşik teori Bu, dört tür temel etkileşimin tamamını açıklamayı mümkün kılacaktır. Böyle bir teorinin yaratılması aynı zamanda birleşik bir temel parçacık kavramının inşası anlamına da gelecektir. Bu projeye “Büyük Birleşme” adı verildi. Böyle bir teorinin mümkün olabileceği inancının temeli, kısa mesafelerde (10-29 cm'den az) ve yüksek enerji(1014 GeV'den fazla) elektromanyetik, güçlü ve zayıf etkileşimler aynı şekilde anlatılıyor, yani ortak bir yapıya sahipler. Ancak bu sonuç hala sadece teoriktir ve deneysel olarak doğrulanması henüz mümkün olmamıştır.

Çeşitli rakip Büyük Birleşik teoriler kozmolojiyi (4.2) farklı şekilde yorumlamaktadır. Örneğin, Evrenimizin doğduğu anda, dört temel etkileşimin hepsinin aynı şekilde ortaya çıktığı koşulların mevcut olduğu varsayılmaktadır. Dört tür etkileşimin tümünü birleşik bir temelde açıklayan bir teori oluşturmak, kuark teorisinin, kuantum renk dinamiğinin, kuantum renk dinamiğinin bir sentezini gerektirecektir. modern kozmoloji ve göreceli astronomi.

Bununla birlikte, dört tür temel etkileşime ilişkin birleşik bir teori arayışı, maddeye ilişkin diğer yorumların ortaya çıkmasının imkansız olduğu anlamına gelmez: yeni etkileşimlerin keşfi, yeni temel parçacıkların araştırılması vb. Bazı fizikçiler bu olasılığın olasılığı hakkında şüphelerini dile getiriyorlar. birleşik bir teorinin Böylece, sinerjetiğin yaratıcıları I. Prigogine ve I. Stengers, “Zaman, Kaos, Kuantum” kitabında şöyle yazıyor: “çıkarmanın mümkün olacağı böyle bir “her şeyin teorisini” inşa etme umudu Tam tanım fiziksel gerçeklik terk edilmesi gerekecek” ve tezlerini sinerjetik (7.2) çerçevesinde formüle edilen yasalarla gerekçelendirmektedir.

Önemli rol korunum yasaları, temel parçacıkların etkileşim mekanizmalarının, oluşumlarının ve bozunmalarının anlaşılmasında rol oynadı. Makro dünyada geçerli olan korunum yasalarına (enerjinin korunumu yasası, momentumun korunumu yasası ve açısal momentumun korunumu yasası) ek olarak, mikro dünyanın fiziğinde yenileri keşfedildi: enerjinin korunumu yasası. baryon, lepton yükleri, tuhaflık vb.

Her korunum yasası, kendisini çevreleyen dünyadaki bir çeşit simetriyle ilişkilidir. Fizikte simetri, değişmezlik, bir sistemin dönüşümlerine göre, yani serideki değişikliklere göre değişmezliği olarak anlaşılır. fiziksel koşullar. Alman matematikçi Emma Noether, uzay ve zamanın özellikleri ile klasik fiziğin korunum yasaları arasında bir bağlantı kurdu. temel teorem matematiksel fizik Noether teoremi olarak adlandırılan, uzayın homojenliğinden momentumun korunumu yasasının, zamanın homojenliğinden - enerjinin korunumu yasasının ve uzayın izotropisinden - açısal momentumun korunumu yasasının çıktığını belirtir. Bu yasalar doğası gereği temeldir ve maddenin tüm varoluş seviyeleri için geçerlidir.

Enerjinin korunumu ve dönüşümü yasası, enerjinin kaybolmadığını ve tekrar ortaya çıkmadığını, yalnızca bir formdan diğerine geçtiğini belirtir. Momentumun korunumu yasası momentumun sabitliğini varsayar kapalı sistem mesai. Açısal momentumun korunumu yasası, kapalı döngü sisteminin açısal momentumunun zaman içinde sabit kaldığını belirtir. Korunum yasaları simetrinin bir sonucudur, yani. değişmezlik, maddi nesnelerin yapısının dönüşümlere göre değişmezliği veya varoluşlarının fiziksel koşullarındaki değişiklikler.

Etkileşim yeteneği, maddenin en önemli ve ayrılmaz özelliğidir. Mega, makro ve mikro dünyanın çeşitli maddi nesnelerinin sistemler halinde birleştirilmesini sağlayan etkileşimlerdir. Modern bilimin bildiği tüm kuvvetler, temel olarak adlandırılan dört tür etkileşime iner: yerçekimi, elektromanyetik, zayıf ve güçlü.

Yerçekimi etkileşimi ilk kez 17. yüzyılda fizik biliminin inceleme konusu haline geldi. I. Newton'un evrensel çekim yasasına dayanan çekim teorisi, klasik mekaniğin bileşenlerinden biri haline geldi. Herhangi bir maddi parçacık, yerçekimi etkisinin kaynağıdır ve bunu kendi üzerinde deneyimler. Kütle arttıkça yerçekimi etkileşimleri de artar, yani. Etkileşen maddelerin kütlesi ne kadar büyük olursa, yerçekimi kuvvetleri de o kadar güçlü olur. Yerçekimi kuvvetleri çekim kuvvetleridir. Yerçekimi etkileşimi şu anda bilinenlerin en zayıfıdır. Yerçekimi kuvveti çok büyük mesafelere etki eder; yoğunluğu mesafe arttıkça azalır, ancak tamamen kaybolmaz. Yerçekimi etkileşiminin taşıyıcısının varsayımsal parçacık gravitonu olduğuna inanılmaktadır. Mikro dünyada yerçekimi etkileşimi önemli bir rol oynamaz, ancak makro ve özellikle mega süreçlerde öncü bir rol oynar.

Elektromanyetik etkileşim 19. yüzyıl fiziğinin çalışma konusu haline geldi. Elektromanyetik alanın ilk birleşik teorisi J. Maxwell'in kavramıydı. Elektromanyetik etkileşimler yalnızca yüklü parçacıklar arasında mevcuttur: elektrik alanı iki sabit yüklü parçacık arasındadır, manyetik alan ise iki hareketli yüklü parçacık arasındadır. Elektromanyetik kuvvetler çekici veya itici kuvvetler olabilir. Olası yüklü parçacıklar birbirini iter, zıt yüklü parçacıklar ise çeker. Bu tür etkileşimin taşıyıcıları fotonlardır. Elektromanyetik etkileşim mikro, makro ve mega dünyalarda kendini gösterir.

20. yüzyılın ortalarında. yaratıldı kuantum elektrodinamiği– yüklü parçacıkların (elektronlar ve pozitronlar) etkileşimini tanımlayan elektromanyetik etkileşim teorisi. 1965 yılında yazarları S. Tomanaga, R. Feynman ve J. Schwinger Nobel Ödülü'ne layık görüldü.

Zayıf etkileşim ancak 20. yüzyılda, 60'larda keşfedildi. genel bir zayıf etkileşim teorisi oluşturuldu. Zayıf kuvvet parçacıkların bozunmasıyla ilişkilidir, dolayısıyla keşfi ancak radyoaktivitenin keşfinden sonra gerçekleşti. Fizikçi W. Pauli, bir maddenin radyoaktif bozunması sürecinde, elektronla birlikte yüksek nüfuz gücüne sahip bir parçacığın salındığını öne sürdü. Bu parçacığa daha sonra "nötrino" adı verildi. Zayıf etkileşimlerin bir sonucu olarak, atom çekirdeğini oluşturan nötronların üç tür parçacığa bozunduğu ortaya çıktı: pozitif yüklü protonlar, negatif yüklü elektronlar ve nötr nötrinolar. Zayıf etkileşim, elektromanyetik etkileşimden çok daha küçüktür, ancak yerçekimi etkileşiminden daha büyüktür ve onlardan farklı olarak, 10-22 cm'den fazla olmayan küçük mesafelerde yayılır. Bu nedenle zayıf etkileşim uzun süredir deneysel olarak gözlemlenmemiştir. zaman. Zayıf etkileşimin taşıyıcıları bozonlardır.

70'lerde XX yüzyıl genel bir elektromanyetik ve zayıf etkileşim teorisi oluşturuldu. elektrozayıf etkileşim teorisi. Yaratıcıları S. Weinberg, A. Sapam ve S. Glashow 1979'da Nobel Ödülü'nü aldı. Elektrozayıf etkileşim teorisi, iki tür temel etkileşimi, tek ve daha derin bir etkileşimin tezahürleri olarak kabul eder. Bu nedenle, 10-17 cm'den daha büyük mesafelerde olayın elektromanyetik yönü baskındır; daha kısa mesafelerde ise hem elektromanyetik hem de zayıf yönler eşit derecede önemlidir. Söz konusu teorinin yaratılması, 19. yüzyılın klasik fiziğinde Faraday-Maxwell teorisi çerçevesinde elektrik, manyetizma ve ışığın 20. yüzyılın son üçte birlik kısmında birleşmesi anlamına geliyordu. zayıf etkileşim fenomeni ile desteklenir.

Güçlü etkileşim da ancak 20. yüzyılda keşfedildi. Protonları atomun çekirdeğinde tutarak elektromanyetik itici kuvvetlerin etkisi altında saçılmalarını önler. Güçlü etkileşim 10-13 cm'yi geçmeyen mesafelerde meydana gelir ve çekirdeklerin stabilitesinden sorumludur. Tablonun sonunda bulunan elementlerin çekirdekleri D.I. Mendeleev kararsızdır çünkü yarıçapları büyüktür ve buna bağlı olarak güçlü etkileşim yoğunluğunu kaybeder. Bu tür çekirdekler radyoaktif olarak adlandırılan bozunmaya maruz kalır. Atom çekirdeklerinin oluşumundan güçlü etkileşim sorumludur; buna yalnızca ağır parçacıklar katılır: protonlar ve nötronlar. Nükleer etkileşimler parçacıkların yüküne bağlı değildir; bu tür etkileşimlerin taşıyıcıları gluonlardır. Gluonlar, güçlü bir etkileşimin meydana gelmesi nedeniyle bir gluon alanı (elektromanyetik alana benzer) halinde birleştirilir. Güçlü etkileşim, gücü açısından bilinen diğer etkileşimleri aşar ve muazzam bir enerji kaynağıdır. Güçlü etkileşime bir örnek, Güneş ve diğer yıldızlardaki termonükleer reaksiyonlardır. Hidrojen silahları oluşturmak için güçlü etkileşim ilkesi kullanıldı.

Güçlü etkileşim teorisine denir kuantum kromodinamiği. Bu teoriye göre güçlü etkileşim, hadronlardaki kuarkların bağlanmasıyla sonuçlanan gluon değişiminin sonucudur. Kuantum renk dinamiği gelişmeye devam ediyor; henüz tam bir güçlü etkileşim kavramı olarak düşünülemez, ancak sağlam bir deneysel temele sahiptir.

Modern fizikte, dört temel etkileşim türünü de açıklayacak birleşik bir teori arayışı devam etmektedir. Böyle bir teorinin yaratılması aynı zamanda birleşik bir temel parçacık kavramının inşası anlamına da gelecektir. Bu projeye “Büyük Birleşme” adı verildi. Böyle bir teorinin mümkün olabileceği inancının temeli, kısa mesafelerde (10–29 cm'den az) ve yüksek enerjilerde (10 14 GeV'den fazla) elektromanyetik, güçlü ve zayıf etkileşimlerin aynı şekilde tanımlanmasıdır. Bu onların doğasının ortak olduğu anlamına gelir. Ancak bu sonuç yalnızca teoriktir ve deneysel olarak doğrulanması henüz mümkün olmamıştır.

Korunum yasaları, temel parçacıkların etkileşim mekanizmalarının, oluşumlarının ve bozunmalarının anlaşılmasında önemli bir rol oynadı. Makro dünyada geçerli olan korunum yasalarına (enerjinin korunumu yasası, momentumun korunumu yasası ve açısal momentumun korunumu yasası) ek olarak, mikro dünyanın fiziğinde yenileri keşfedildi: enerjinin korunumu yasası. baryon, lepton yükleri vb.