Dies ist die dritte grundlegende Wechselwirkung, die nur im Mikrokosmos existiert. Es ist für die Umwandlung einiger Fermion-Teilchen in andere verantwortlich, während sich die Farbe von schwach wechselwirkenden Peptonen und Quarks nicht ändert. Ein typisches Beispiel für eine schwache Wechselwirkung ist der Beta-Zerfallsprozess, bei dem ein freies Neutron in durchschnittlich 15 Minuten in ein Proton, ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino zerfällt. Der Zerfall wird durch die Umwandlung eines Flavour-Quarks d in ein Flavour-Quark u innerhalb des Neutrons verursacht. Das emittierte Elektron sorgt für die Erhaltung der gesamten elektrischen Ladung, und das Antineutrino ermöglicht die Erhaltung des gesamten mechanischen Impulses des Systems.
Starkes Zusammenspiel
Die Hauptfunktion der starken Kraft besteht darin, Quarks und Antiquarks zu Hadronen zu kombinieren. Die Theorie der starken Wechselwirkungen befindet sich im Entstehungsprozess. Sie ist eine typische Feldtheorie und heißt Quantenchromodynamik. Seine Ausgangsposition ist das Postulat der Existenz von drei Arten von Farbladungen (rot, blau, grün), die die der Materie innewohnende Fähigkeit zum Ausdruck bringen, Quarks in starker Wechselwirkung zu verbinden. Jedes der Quarks enthält eine Kombination solcher Ladungen, aber ihre vollständige gegenseitige Kompensation findet nicht statt, und das Quark hat eine resultierende Farbe, das heißt, es behält die Fähigkeit, stark mit anderen Quarks zu interagieren. Aber wenn sich drei Quarks oder ein Quark und ein Antiquark zu einem Hadron verbinden, ist die Gesamtkombination der darin enthaltenen Farbladungen so, dass das Hadron als Ganzes farbneutral ist. Farbladungen erzeugen Felder mit den ihnen innewohnenden Quanten - Bosonen. Als materielle Grundlage für die starke Wechselwirkung dient der Austausch virtueller Farbbosonen zwischen Quarks und (oder) Antiquarks. Vor der Entdeckung von Quarks und der Farbwechselwirkung galt die Kernwechselwirkung als grundlegend und vereinte Protonen und Neutronen in den Atomkernen. Mit der Entdeckung der Quark-Ebene der Materie begann man, die starke Wechselwirkung als Farbwechselwirkungen zwischen Quarks zu verstehen, die sich zu Hadronen verbinden. Nukleare Kräfte werden nicht mehr als grundlegend angesehen, sie müssen irgendwie durch farbige Kräfte ausgedrückt werden. Dies ist jedoch nicht einfach, da die Baryonen (Protonen und Neutronen), aus denen der Kern besteht, im Allgemeinen farbneutral sind. Analog können wir uns daran erinnern, dass Atome als Ganzes elektrisch neutral sind, aber auf molekularer Ebene treten chemische Kräfte auf, die als Echos elektrischer Atomkräfte betrachtet werden.
Die betrachteten vier Arten grundlegender Wechselwirkungen liegen allen anderen bekannten Bewegungsformen der Materie zugrunde, einschließlich derjenigen, die auf den höchsten Entwicklungsstufen entstanden sind. Alle komplexen Bewegungsformen werden, wenn sie in strukturelle Komponenten zerlegt werden, als komplexe Modifikationen dieser grundlegenden Wechselwirkungen gefunden.
2. Entwicklung wissenschaftlicher Ansichten zur Wechselwirkung von Teilchen vor der evolutionären Entstehung der Theorie der "Großen Vereinigung"
Die Grand Unified Theory ist eine Theorie, die elektromagnetische, starke und schwache Wechselwirkungen kombiniert. Bei der Erwähnung der Theorie der "Großen Vereinigung" kommt es zu der Tatsache, dass alle Kräfte, die in der Natur existieren, eine Manifestation einer universellen Grundkraft sind. Es gibt eine Reihe von Überlegungen, die Anlass zu der Annahme geben, dass im Moment des Urknalls, der unser Universum hervorbrachte, nur diese Kraft existierte. Im Laufe der Zeit hat sich das Universum jedoch ausgedehnt, was bedeutet, dass es abgekühlt ist, und die einzelne Kraft hat sich in mehrere verschiedene aufgespalten, die wir jetzt beobachten. Die Theorie der "Grand Unification" sollte die elektromagnetischen, starken, schwachen und Gravitationskräfte als Manifestation einer universellen Kraft beschreiben. Es gibt bereits einige Fortschritte: Wissenschaftlern ist es gelungen, eine Theorie aufzubauen, die elektromagnetische und schwache Wechselwirkungen kombiniert. Die Hauptarbeit an der Theorie der "Großen Vereinigung" steht jedoch noch bevor.
Die moderne Teilchenphysik ist gezwungen, Fragen zu erörtern, die tatsächlich sogar Denker der Antike beunruhigten. Was ist der Ursprung von Teilchen und chemischen Atomen, die aus diesen Teilchen aufgebaut sind? Und wie kann der Kosmos, das Universum, das wir sehen, aus Teilchen aufgebaut sein, egal wie wir sie nennen? Und noch etwas – wurde das Universum erschaffen oder existiert es seit Ewigkeit? Wenn das die richtige Frage ist, welche Denkansätze führen zu überzeugenden Antworten? All diese Fragen ähneln der Suche nach den wahren Prinzipien des Seins, Fragen nach der Natur dieser Prinzipien.
Was auch immer wir über den Kosmos sagen, eines ist klar, dass alles in der natürlichen Welt irgendwie aus Teilchen besteht. Aber wie ist diese Zusammensetzung zu verstehen? Es ist bekannt, dass Teilchen interagieren – sie ziehen sich an oder stoßen sich gegenseitig ab. Die Teilchenphysik untersucht verschiedene Wechselwirkungen. [Popper K. Über die Quellen von Wissen und Unwissenheit // Vopr. Geschichte der Naturwissenschaft und Technik, 1992, Nr. 3, S. 32.]
Die elektromagnetische Wechselwirkung erregte im 18.–19. Jahrhundert besondere Aufmerksamkeit. Es wurden Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen elektromagnetischen und gravitativen Wechselwirkungen gefunden. Wie die Schwerkraft sind elektromagnetische Wechselwirkungskräfte umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung. Aber im Gegensatz zur Schwerkraft zieht die elektromagnetische "Schwerkraft" nicht nur Teilchen (mit unterschiedlichem Ladungszeichen) an, sondern stößt sie auch voneinander ab (gleich geladene Teilchen). Und nicht alle Teilchen sind Träger einer elektrischen Ladung. Beispielsweise sind Photon und Neutron in dieser Hinsicht neutral. In den 50er Jahren des 19. Jahrhunderts. die elektromagnetische Theorie von D. C. Maxwell (1831–1879) vereinheitlichte elektrische und magnetische Phänomene und verdeutlichte damit die Wirkung elektromagnetischer Kräfte. [Grunbaum A. Ursprung versus Schöpfung in der physikalischen Kosmologie (theologische Verzerrungen der modernen physikalischen Kosmologie). - Q. Philosophie, 1995, Nr. 2, p. neunzehn.]
Die Untersuchung der Phänomene der Radioaktivität führte zur Entdeckung einer besonderen Art der Wechselwirkung zwischen Teilchen, die als schwache Wechselwirkung bezeichnet wird. Da diese Entdeckung mit der Untersuchung der Beta-Radioaktivität zusammenhängt, könnte man diese Wechselwirkung als Beta-Zerfall bezeichnen. In der physikalischen Literatur ist es jedoch üblich, von schwacher Wechselwirkung zu sprechen - sie ist schwächer als die elektromagnetische, obwohl sie viel stärker als die Gravitation ist. Die Entdeckung wurde durch die Forschung von W. Pauli (1900–1958) erleichtert, der vorhersagte, dass während des Beta-Zerfalls ein neutrales Teilchen entsteht, das die offensichtliche Verletzung des Energieerhaltungssatzes namens Neutrino kompensiert. Außerdem wurde die Entdeckung schwacher Wechselwirkungen durch die Studien von E. Fermi (1901–1954) erleichtert, der zusammen mit anderen Physikern vorschlug, dass Elektronen und Neutrinos, bevor sie den radioaktiven Kern verlassen, im Kern nicht existieren, sozusagen in fertiger Form, sondern entstehen während des Bestrahlungsprozesses. [Grunbaum A. Ursprung versus Schöpfung in der physikalischen Kosmologie (theologische Verzerrungen der modernen physikalischen Kosmologie). - Q. Philosophie, 1995, Nr. 2, p. 21.]
Schließlich stellte sich heraus, dass die vierte Wechselwirkung mit intranukleären Prozessen zusammenhängt. Sie wird als starke Wechselwirkung bezeichnet und manifestiert sich als Anziehung intranuklearer Teilchen – Protonen und Neutronen. Aufgrund seiner Größe entpuppt es sich als Quelle enormer Energie.
Die Untersuchung von vier Arten von Interaktionen folgte dem Pfad der Suche nach ihrer tiefen Verbindung. Auf diesem obskuren, in vielerlei Hinsicht obskuren Weg hat nur das Prinzip der Symmetrie die Untersuchung geleitet und zur Identifizierung der angeblichen Beziehung verschiedener Arten von Wechselwirkungen geführt.
Um solche Zusammenhänge aufzudecken, musste man sich der Suche nach einer speziellen Art von Symmetrie zuwenden. Ein einfaches Beispiel für diese Art von Symmetrie ist die Abhängigkeit der beim Heben einer Last verrichteten Arbeit von der Hubhöhe. Die aufgewendete Energie hängt vom Höhenunterschied, aber nicht von der Beschaffenheit des Aufstiegsweges ab. Nur der Höhenunterschied ist signifikant und es spielt überhaupt keine Rolle, von welcher Ebene aus wir die Messung starten. Man kann sagen, dass wir es hier mit Symmetrie bezüglich der Wahl des Referenzpunktes zu tun haben.
Ebenso können Sie die Bewegungsenergie einer elektrischen Ladung in einem elektrischen Feld berechnen. Das Analogon der Höhe ist hier die Feldspannung oder andernfalls das elektrische Potential. Die während der Bewegung der Ladung aufgewendete Energie hängt nur von der Potentialdifferenz zwischen den End- und Startpunkten im Raum des Feldes ab. Wir haben es hier mit der sogenannten Spurweite oder anders gesagt mit Skalensymmetrie zu tun. Die auf das elektrische Feld bezogene Eichsymmetrie ist eng mit dem Erhaltungssatz der elektrischen Ladung verbunden.
Die Eichsymmetrie erwies sich als das wichtigste Werkzeug, das die Möglichkeit eröffnet, viele Schwierigkeiten in der Theorie der Elementarteilchen zu lösen, und in zahlreichen Versuchen, verschiedene Arten von Wechselwirkungen zu vereinheitlichen. In der Quantenelektrodynamik beispielsweise ergeben sich verschiedene Divergenzen. Diese Abweichungen können beseitigt werden, weil das sogenannte Renormierungsverfahren, das die Schwierigkeiten der Theorie beseitigt, eng mit der Eichsymmetrie verwandt ist. Es scheint die Idee, dass die Schwierigkeiten bei der Konstruktion der Theorie nicht nur elektromagnetischer, sondern auch anderer Wechselwirkungen überwunden werden können, wenn es möglich ist, andere, verborgene Symmetrien zu finden.
Die Eichsymmetrie kann einen verallgemeinerten Charakter annehmen und auf beliebige Kraftfelder bezogen werden. In den späten 1960er Jahren S. Weinberg (geb. 1933) von der Harvard University und A. Salam (geb. 1926) vom Imperial College in London unternahmen ausgehend von den Arbeiten von S. Glashow (geb. 1932) eine theoretische Vereinigung der elektromagnetischen und der schwachen Wechselwirkung . Sie verwendeten die Idee der Eichsymmetrie und das damit verbundene Konzept eines Eichfeldes. [Yakushev A. S. Grundbegriffe der modernen Naturwissenschaft. - M., Fakt-M, 2001, p. 29.]
Für die elektromagnetische Wechselwirkung ist die einfachste Form der Eichsymmetrie anwendbar. Es stellte sich heraus, dass die Symmetrie der schwachen Wechselwirkung komplizierter ist als die der elektromagnetischen. Diese Komplexität ist auf die Komplexität des Prozesses selbst zurückzuführen, sozusagen der Mechanismus der schwachen Wechselwirkung.
Bei der schwachen Wechselwirkung kommt es beispielsweise zum Zerfall eines Neutrons. Solche Teilchen wie Neutron, Proton, Elektron und Neutrino können an diesem Prozess teilnehmen. Darüber hinaus kommt es aufgrund der schwachen Wechselwirkung zu einer gegenseitigen Umwandlung von Teilchen.
Konzeptionelle Bestimmungen der Theorie der "Großen Vereinigung"
In der modernen theoretischen Physik geben zwei neue Begriffsschemata den Ton an: die sogenannte „Grand Unified“-Theorie und die Supersymmetrie.
Diese wissenschaftlichen Richtungen führen zusammen zu einer sehr attraktiven Idee, wonach die gesamte Natur letztendlich der Wirkung einer Art Supermacht unterliegt, die sich in verschiedenen "Personen" manifestiert. Diese Kraft ist stark genug, um unser Universum zu erschaffen und es mit Licht, Energie, Materie und Struktur auszustatten. Aber Supermacht ist mehr als nur ein kreatives Prinzip. Darin verschmelzen Materie, Raumzeit und Interaktion zu einem untrennbaren harmonischen Ganzen und erzeugen eine solche Einheit des Universums, die sich vorher niemand vorstellen konnte. Der Zweck der Wissenschaft besteht im Wesentlichen darin, eine solche Einheit zu suchen. [Ovchinnikov N. F. Struktur und Symmetrie // System Research, M., 1969, p. 137.]
Auf dieser Grundlage besteht ein gewisses Vertrauen in die Vereinigung aller Phänomene der belebten und unbelebten Natur im Rahmen eines einzigen Beschreibungsschemas. Bis heute sind vier grundlegende Wechselwirkungen oder vier Kräfte in der Natur bekannt, die für alle bekannten Wechselwirkungen von Elementarteilchen verantwortlich sind – starke, schwache, elektromagnetische und gravitative Wechselwirkungen. Starke Wechselwirkungen binden Quarks aneinander. Schwache Wechselwirkungen sind für einige Arten von Kernzerfällen verantwortlich. Elektromagnetische Kräfte wirken zwischen elektrischen Ladungen und Gravitationskräfte wirken zwischen Massen. Das Vorhandensein dieser Wechselwirkungen ist eine ausreichende und notwendige Bedingung für die Konstruktion der Welt um uns herum. Ohne Gravitation gäbe es zum Beispiel nicht nur keine Galaxien, Sterne und Planeten, sondern das Universum hätte nicht entstehen können – schließlich basieren die Konzepte des expandierenden Universums und des Urknalls, aus dem die Raumzeit stammt, auf ihnen auf die Schwerkraft. Ohne elektromagnetische Wechselwirkungen gäbe es keine Atome, keine Chemie oder Biologie und keine Sonnenwärme und kein Licht. Ohne starke nukleare Wechselwirkungen würden Kerne nicht existieren, und daher könnten Atome und Moleküle, Chemie und Biologie sowie Sterne und die Sonne aufgrund von Kernenergie keine Wärme und kein Licht erzeugen.
Auch schwache Kernkräfte spielen bei der Entstehung des Universums eine Rolle. Ohne sie wären Kernreaktionen in der Sonne und den Sternen unmöglich, offenbar würden keine Supernova-Explosionen auftreten und die für das Leben notwendigen schweren Elemente könnten sich nicht im Universum ausbreiten. Das Leben könnte genauso gut nicht existieren. Wenn wir der Meinung zustimmen, dass all diese vier völlig unterschiedlichen Wechselwirkungen, von denen jede auf ihre Weise für die Entstehung komplexer Strukturen und die Bestimmung der Entwicklung des gesamten Universums notwendig ist, von einer einzigen einfachen Superkraft erzeugt werden, dann ist die Existenz von Ein einziges Grundgesetz, das sowohl in der belebten als auch in der unbelebten Natur wirkt, steht außer Zweifel. Die moderne Forschung zeigt, dass diese vier Kräfte einst zu einer vereint werden konnten.
Dies war bei den enormen Energien möglich, die für die Ära des frühen Universums kurz nach dem Urknall charakteristisch waren. Tatsächlich wurde die Theorie der Vereinigung von elektromagnetischer und schwacher Wechselwirkung bereits experimentell bestätigt. Theorien der „großen Vereinigung“ sollten diese Wechselwirkungen mit starken kombinieren, und Theorien von „alles was ist“ sollten alle vier grundlegenden Wechselwirkungen einheitlich als Manifestationen einer Wechselwirkung beschreiben. Thermische Geschichte des Universums, beginnend von 10–43 Sek. nach dem Urknall und bis zum heutigen Tag, zeigt, dass die meisten Helium-4, Helium-3, Deuteronen (Kerne von Deuterium - ein schweres Wasserstoffisotop) und Lithium-7 etwa 1 Minute nach dem Urknall im Universum gebildet wurden Urknall.
Schwerere Elemente tauchten zig Millionen oder Milliarden Jahre später im Inneren von Sternen auf, und die Entstehung von Leben entspricht dem Endstadium des sich entwickelnden Universums. Basierend auf der durchgeführten theoretischen Analyse und den Ergebnissen der Computersimulation von dissipativen Systemen, die weit vom Gleichgewicht entfernt arbeiten, unter den Bedingungen der Wirkung eines niederenergetischen Flusses mit Codefrequenz, folgerten wir, dass es im Universum zwei parallele Prozesse gibt - Entropie und Information. Außerdem ist der Entropieprozess der Umwandlung von Materie in Strahlung nicht dominant. [Soldatov VK Theorie der "Großen Vereinigung". - M., Nachtrag, 2000, p. 38.]
Unter diesen Bedingungen entsteht eine neue Art der evolutionären Selbstorganisation der Materie, die das kohärente Raum-Zeit-Verhalten des Systems mit dynamischen Prozessen innerhalb des Systems selbst verknüpft. Dann wird dieses Gesetz auf der Skala des Universums wie folgt formuliert: „Wenn der Urknall zur Bildung von 4 grundlegenden Wechselwirkungen geführt hat, dann ist die weitere Entwicklung der Raum-Zeit-Organisation des Universums mit ihrer Vereinigung verbunden. " Das Gesetz der Entropiezunahme muss unserer Ansicht nach also nicht auf einzelne Teile des Universums, sondern auf den gesamten Prozess seiner Evolution angewendet werden. Zum Zeitpunkt seiner Entstehung stellte sich heraus, dass das Universum gemäß den Raum-Zeit-Ebenen der Hierarchie quantisiert war, von denen jede einer der grundlegenden Wechselwirkungen entspricht. Die daraus resultierende Schwankung, die als expandierendes Bild des Universums wahrgenommen wird, fährt zu einem bestimmten Zeitpunkt fort, sein Gleichgewicht wiederherzustellen. Der Prozess der weiteren Evolution vollzieht sich spiegelbildlich.
Mit anderen Worten, im beobachtbaren Universum laufen zwei Prozesse gleichzeitig ab. Ein Prozess - Anti-Entropie - ist mit der Wiederherstellung des gestörten Gleichgewichts verbunden, durch Selbstorganisation von Materie und Strahlung in Makroquantenzustände (als physikalisches Beispiel kann man so bekannte Zustände der Materie wie Suprafluidität, Supraleitung und Quantenzustand anführen Hall-Effekt). Dieser Prozess bestimmt offenbar die konsequente Entwicklung von thermonuklearen Fusionsprozessen in Sternen, die Bildung von Planetensystemen, Mineralien, Flora, einzelligen und mehrzelligen Organismen. Dies folgt automatisch der selbstorganisierenden Orientierung des dritten Prinzips der fortschreitenden Evolution lebender Organismen.
Ein anderer Prozess ist rein entropischer Natur und beschreibt die Prozesse des zyklischen evolutionären Übergangs von selbstorganisierender Materie (Zerfall - Selbstorganisation). Es ist möglich, dass diese Prinzipien als Grundlage für die Schaffung eines mathematischen Apparats dienen können, der es Ihnen ermöglicht, alle vier Wechselwirkungen zu einer Superkraft zu kombinieren. Wie bereits erwähnt, ist es genau dieses Problem, mit dem sich derzeit die Mehrzahl der theoretischen Physiker beschäftigt. Eine weitere Argumentation dieses Prinzips geht weit über den Rahmen dieses Artikels hinaus und hängt mit der Konstruktion der Theorie der evolutionären Selbstorganisation des Universums zusammen. Lassen Sie uns daher die Hauptschlussfolgerung ziehen und sehen, wie anwendbar sie auf biologische Systeme, die Prinzipien ihrer Kontrolle und vor allem auf neue Technologien zur Behandlung und Vorbeugung pathologischer Zustände des Körpers ist. Zunächst interessieren uns die Prinzipien und Mechanismen der Aufrechterhaltung der Selbstorganisation und Evolution lebender Organismen sowie die Ursachen ihrer Verletzungen, die sich in Form verschiedener Pathologien manifestieren.
Das erste davon ist das Prinzip der Code-Frequenz-Steuerung, deren Hauptzweck darin besteht, Energieflüsse innerhalb eines offenen, selbstorganisierenden dissipativen Systems aufrechtzuerhalten, zu synchronisieren und zu steuern. Die Umsetzung dieses Prinzips für lebende Organismen erfordert das Vorhandensein eines biologischen Objekts (molekular, subzellulär, zellulär, gewebeartig, organoid, organismisch, Population, biozönotisch, biotisch, Landschaft, biosphärisch, kosmisch) auf jeder strukturellen hierarchischen Ebene eines biologischen Objekts, das Vorhandensein eines biorhythmologischen Prozess, der mit dem Verbrauch und Verbrauch von umwandelbarer Energie verbunden ist und die Aktivität und Abfolge von Prozessen innerhalb des Systems bestimmt. Dieser Mechanismus nimmt in den frühen Stadien der Entstehung des Lebens bei der Bildung der DNA-Struktur und dem Prinzip der Verdopplung diskreter Codes erblicher Informationen sowie bei Prozessen wie Zellteilung und anschließender Differenzierung einen zentralen Platz ein. Wie Sie wissen, läuft der Prozess der Zellteilung immer in einer strengen Reihenfolge ab: Prophase, Metaphase, Telophase und dann Anaphase. Sie können die Teilungsbedingungen verletzen, sie verhindern, sogar den Kern entfernen, aber die Sequenz bleibt immer erhalten. Ohne Zweifel ist unser Körper mit den perfektesten Synchronisierern ausgestattet: ein Nervensystem, das auf die kleinsten Veränderungen in der äußeren und inneren Umgebung empfindlich reagiert, ein langsameres humorales System. Gleichzeitig lebt, ernährt, sondert, reproduziert der Infusorien-Schuh in völliger Abwesenheit des Nerven- und Humoralsystems, und all diese komplexen Prozesse laufen nicht zufällig ab, sondern in strenger Reihenfolge: Jede Reaktion bestimmt die nächste, und das wiederum sondert Produkte ab, die zum Starten der nächsten Reaktion benötigt werden. [Soldatov VK Theorie der "Großen Vereinigung". - M., Nachtrag, 2000, p. 59.]
Es sei darauf hingewiesen, dass bereits Einsteins Theorie einen so wichtigen Fortschritt im Verständnis der Natur darstellte, dass bald auch eine Revision der Ansichten über andere Naturkräfte unvermeidlich wurde. Zu dieser Zeit war die einzige „andere“ Kraft, deren Existenz fest etabliert war, die elektromagnetische Kraft. Äußerlich sah es jedoch überhaupt nicht nach Schwerkraft aus. Darüber hinaus beschrieb Maxwells Theorie mehrere Jahrzehnte vor der Schaffung von Einsteins Gravitationstheorie erfolgreich den Elektromagnetismus, und es gab keinen Grund, an der Gültigkeit dieser Theorie zu zweifeln.
Zeit seines Lebens träumte Einstein davon, eine einheitliche Feldtheorie zu schaffen, in der alle Naturkräfte auf der Grundlage reiner Geometrie zusammenfließen würden. Einstein widmete nach der Schaffung der allgemeinen Relativitätstheorie den größten Teil seines Lebens der Suche nach einem solchen Schema. Ironischerweise kam der Verwirklichung von Einsteins Traum jedoch der wenig bekannte polnische Physiker Theodor Kaluza am nächsten, der bereits 1921 den Grundstein für einen neuen und unerwarteten Ansatz zur Vereinheitlichung der Physik legte, der mit seiner Kühnheit noch immer die Vorstellungskraft überwältigt .
Mit der Entdeckung schwacher und starker Wechselwirkungen in den 1930er Jahren verlor die Idee der Vereinigung von Schwerkraft und Elektromagnetismus weitgehend ihren Reiz. Eine konsequente einheitliche Feldtheorie sollte nicht zwei, sondern vier Kräfte umfassen. Offensichtlich war dies nicht möglich, ohne ein tiefes Verständnis der schwachen und starken Wechselwirkungen zu erlangen. In den späten 1970er Jahren wurde dank einer frischen Brise, die durch die Grand Unified Theories (GUT) und die Supergravitation gebracht wurde, an die alte Kaluza-Klein-Theorie erinnert. Sie wurde „abgestaubt, modisch gekleidet“ und alle heute bekannten Wechselwirkungen darin eingebaut.
In der GUT ist es den Theoretikern gelungen, drei sehr unterschiedliche Arten von Wechselwirkungen im Rahmen eines Konzepts zu sammeln; Dies liegt daran, dass alle drei Wechselwirkungen mit Eichfeldern beschrieben werden können. Die Haupteigenschaft von Eichfeldern ist das Vorhandensein abstrakter Symmetrien, dank derer dieser Ansatz an Eleganz gewinnt und breite Möglichkeiten eröffnet. Das Vorhandensein von Kraftfeldsymmetrien weist ganz eindeutig auf die Manifestation einer verborgenen Geometrie hin. In der wieder zum Leben erweckten Kaluza-Klein-Theorie gewinnen die Symmetrien der Eichfelder Konkretheit - das sind geometrische Symmetrien, die mit zusätzlichen Raumdimensionen verbunden sind.
Wie in der Originalversion werden Wechselwirkungen in die Theorie eingeführt, indem der Raumzeit zusätzliche räumliche Dimensionen hinzugefügt werden. Da wir jetzt jedoch drei Arten von Wechselwirkungen berücksichtigen müssen, müssen wir einige zusätzliche Dimensionen einführen. Eine einfache Zählung der Anzahl der an der GUT beteiligten Symmetrieoperationen führt zu einer Theorie mit sieben zusätzlichen räumlichen Dimensionen (so dass ihre Gesamtzahl zehn erreicht); Wenn die Zeit berücksichtigt wird, hat die gesamte Raumzeit elf Dimensionen. [Soldatov VK Theorie der "Großen Vereinigung". - M., Nachtrag, 2000, p. 69.]
Die wichtigsten Bestimmungen der Theorie der "Grand Unification" aus Sicht der Quantenphysik
In der Quantenphysik ist jeder Längenskala eine Energieskala (oder äquivalente Massenskala) zugeordnet. Je kleiner die untersuchte Längenskala ist, desto höher ist die dafür benötigte Energie. Um die Quarkstruktur des Protons zu untersuchen, sind Energien erforderlich, die mindestens der zehnfachen Masse des Protons entsprechen. Viel höher auf der Energieskala ist die Masse, die der Großen Vereinigung entspricht. Wenn es uns jemals gelingt, eine so riesige Masse (Energie) zu erreichen, von der wir heute noch sehr weit entfernt sind, dann wird es möglich sein, die Welt der X-Teilchen zu studieren, in der die Unterscheidung zwischen Quarks und Leptonen ausgelöscht ist.
Welche Art von Energie wird benötigt, um „in“ die 7-Sphäre einzudringen und zusätzliche Raumdimensionen zu erforschen? Gemäß der Kaluza-Klein-Theorie ist es erforderlich, die Größenordnung der Großen Vereinigung zu überschreiten und Energien zu erreichen, die 10 19 Protonenmassen entsprechen. Nur mit solch unvorstellbar großen Energien wäre es möglich, die Manifestationen zusätzlicher Raumdimensionen direkt zu beobachten.
Dieser riesige Wert – 10 19 Protonenmassen – wird als Planck-Masse bezeichnet, da sie zuerst von Max Planck, dem Begründer der Quantentheorie, eingeführt wurde. Bei einer Energie, die der Planck-Masse entspricht, würden alle vier Wechselwirkungen in der Natur zu einer einzigen Superkraft verschmelzen, und zehn Raumdimensionen wären völlig gleich. Wenn es möglich wäre, eine ausreichende Energiemenge zu konzentrieren, "um das Erreichen der Planck-Masse zu gewährleisten, würde sich die volle Dimension des Weltraums in ihrer ganzen Pracht manifestieren. [Yakushev A. S. Grundbegriffe der modernen Naturwissenschaft. - M., Fact -M, 2001, S. 122. ]
Wenn man der Fantasie freien Lauf lässt, kann man sich vorstellen, dass die Menschheit eines Tages die Supermacht beherrschen wird. Wenn dies geschehen würde, würden wir Macht über die Natur gewinnen, da Supermacht letztendlich alle Interaktionen und alle physischen Objekte hervorbringt; in diesem Sinne ist es das grundlegende Prinzip aller Dinge. Nachdem wir die Supermacht gemeistert hatten, konnten wir die Struktur von Raum und Zeit verändern, die Leere auf unsere eigene Weise krümmen und die Materie ordnen. Indem wir die Supermacht kontrollieren, könnten wir Teilchen nach Belieben erschaffen oder umwandeln und so neue exotische Formen von Materie erzeugen. Wir könnten sogar die Dimensionalität des Raums selbst manipulieren und bizarre künstliche Welten mit undenkbaren Eigenschaften erschaffen. Wir wären wirklich Meister des Universums!
Aber wie kann dies erreicht werden? Zuallererst müssen Sie genug Energie bekommen. Um eine Vorstellung davon zu geben, wovon wir sprechen, erinnern Sie sich daran, dass der 3 km lange Linearbeschleuniger in Stanford Elektronen auf Energien beschleunigt, die 20 Protonenmassen entsprechen. Um die Planck-Energie zu erreichen, müsste der Beschleuniger um den Faktor 1018 verlängert werden und wäre damit so groß wie die Milchstraße (etwa hunderttausend Lichtjahre). Ein solches Projekt gehört nicht zu den Projekten, die in absehbarer Zeit realisierbar sind. [Wheeler J.A. Quantum and Universe // Astrophysik, Quanten und Relativitätstheorie, M., 1982, p. 276.]
In der Großen Einheitlichen Theorie gibt es drei verschiedene Schwellen oder Skalen der Energie. Das ist zunächst einmal die Weinberg-Salam-Schwelle, die fast 90 Protonenmassen entspricht, oberhalb derer die elektromagnetische und die schwache Wechselwirkung zu einer einzigen elektroschwachen verschmelzen. Die zweite Skala, die 10 14 Protonenmassen entspricht, ist charakteristisch für die Große Vereinigung und die darauf basierende neue Physik. Die letzte Skala schließlich, die Planck-Masse, die 1019 Protonenmassen entspricht, entspricht der vollständigen Vereinigung aller Wechselwirkungen, wodurch die Welt verblüffend vereinfacht wird. Eines der größten ungelösten Probleme besteht darin, die Existenz dieser drei Skalen sowie die Gründe für einen so starken Unterschied zwischen der ersten und der zweiten zu erklären. [Soldatov VK Theorie der "Großen Vereinigung". - M., Nachtrag, 2000, p. 76.]
Moderne Technologie ist nur in der Lage, den ersten Maßstab zu erreichen. Der Zerfall des Protons könnte uns ein indirektes Mittel liefern, um die physische Welt im Maßstab der Großen Vereinigung zu studieren, obwohl es derzeit keine Hoffnung zu geben scheint, diese Grenze direkt zu erreichen, geschweige denn im Maßstab der Planck-Masse.
Bedeutet dies, dass wir niemals in der Lage sein werden, die Manifestationen der ursprünglichen Supermacht und der unsichtbaren sieben Dimensionen des Raums zu beobachten? Mit technischen Mitteln wie dem supraleitenden Supercollider bewegen wir uns schnell auf der Skala der unter terrestrischen Bedingungen erreichbaren Energien. Die von Menschen geschaffene Technik schöpft jedoch noch lange nicht alle Möglichkeiten aus – es gibt die Natur selbst. Das Universum ist ein gigantisches Naturlabor, in dem vor 18 Milliarden Jahren das größte Experiment auf dem Gebiet der Elementarteilchenphysik „durchgeführt“ wurde. Wir nennen dieses Experiment den Urknall. Wie später besprochen wird, reichte dieses anfängliche Ereignis aus, um – wenn auch nur für einen sehr kurzen Moment – Superkräfte freizusetzen. Dies reichte jedoch offenbar aus, um die gespenstische Existenz einer Supermacht für immer zu prägen. [Yakushev A. S. Grundbegriffe der modernen Naturwissenschaft. - M., Fakt-M, 2001, p. 165.]
Die schwache Kraft oder schwache Kernkraft ist eine der vier Grundkräfte in der Natur. Es ist insbesondere für den Beta-Zerfall des Kerns verantwortlich. Diese Wechselwirkung wird schwach genannt, weil die anderen beiden für die Kernphysik bedeutsamen Wechselwirkungen (stark und elektromagnetisch) durch eine viel größere Intensität gekennzeichnet sind. Sie ist jedoch viel stärker als die vierte der fundamentalen Wechselwirkungen, die Gravitation. Diese Wechselwirkung ist die schwächste der fundamentalen Wechselwirkungen, die experimentell beim Zerfall von Elementarteilchen beobachtet wurden, wo Quanteneffekte von grundlegender Bedeutung sind. Quantenmanifestationen der Gravitationswechselwirkung wurden noch nie beobachtet. Schwache Wechselwirkung wird anhand der folgenden Regel herausgegriffen: Wenn ein Elementarteilchen namens Neutrino (oder Antineutrino) an dem Wechselwirkungsprozess teilnimmt, dann ist diese Wechselwirkung schwach.
Ein typisches Beispiel für eine schwache Wechselwirkung ist der Beta-Zerfall von Neutronen
wobei n ein Neutron ist, p ein Proton ist, e- ein Elektron ist, e ein Elektron-Antineutrino ist.
Es sollte jedoch beachtet werden, dass die obige Regel keineswegs bedeutet, dass jeder Akt der schwachen Wechselwirkung von einem Neutrino oder Antineutrino begleitet sein muss. Es ist bekannt, dass eine große Anzahl neutrinoloser Zerfälle stattfindet. Als Beispiel können wir den Zerfallsprozess eines Lambda-Hyperons in ein Proton p und ein negativ geladenes Pion beobachten. Nach modernen Vorstellungen sind Neutron und Proton keine echten Elementarteilchen, sondern bestehen aus Elementarteilchen, den sogenannten Quarks.
Die Intensität der schwachen Wechselwirkung wird durch die Fermi-Kopplungskonstante GF charakterisiert. Die Konstante GF ist dimensional. Um eine dimensionslose Größe zu bilden, ist es notwendig, eine Standardmasse zu verwenden, zum Beispiel die Protonenmasse mp. Dann wird die dimensionslose Kopplungskonstante sein
Es ist ersichtlich, dass die schwache Wechselwirkung viel intensiver ist als die gravitative.
Die schwache Wechselwirkung ist im Gegensatz zur Gravitation kurzreichweitig. Das bedeutet, dass die schwache Wechselwirkung zwischen Teilchen nur dann zum Tragen kommt, wenn die Teilchen nahe genug beieinander liegen. Wenn der Abstand zwischen den Teilchen einen bestimmten Wert überschreitet, der als charakteristischer Wechselwirkungsradius bezeichnet wird, tritt die schwache Wechselwirkung nicht auf. Es wurde experimentell festgestellt, dass der charakteristische Radius der schwachen Wechselwirkung in der Größenordnung von 10–15 cm, dh die schwache Wechselwirkung, auf Entfernungen konzentriert ist, die kleiner sind als die Größe des Atomkerns. Obwohl die schwache Wechselwirkung im Wesentlichen innerhalb des Kerns konzentriert ist, hat sie bestimmte makroskopische Manifestationen. Darüber hinaus spielt die schwache Wechselwirkung eine wichtige Rolle bei den sogenannten thermonuklearen Reaktionen, die für den Mechanismus der Energiefreisetzung in Sternen verantwortlich sind. Die erstaunlichste Eigenschaft der schwachen Wechselwirkung ist die Existenz von Prozessen, in denen sich Spiegelasymmetrie manifestiert. Auf den ersten Blick scheint es offensichtlich, dass die Unterscheidung zwischen den Begriffen links und rechts willkürlich ist. Tatsächlich sind die Prozesse der Gravitation, der elektromagnetischen und der starken Wechselwirkung invariant in Bezug auf die räumliche Inversion, die eine Spiegelreflexion implementiert. Es wird gesagt, dass in solchen Prozessen die räumliche Parität P erhalten bleibt, jedoch wurde experimentell festgestellt, dass schwache Prozesse ohne Erhaltung der räumlichen Parität ablaufen können und daher den Unterschied zwischen links und rechts zu spüren scheinen. Gegenwärtig gibt es solide experimentelle Beweise dafür, dass die Nichterhaltung der Parität bei schwachen Wechselwirkungen universeller Natur ist; sie manifestiert sich nicht nur in den Zerfällen von Elementarteilchen, sondern auch in nuklearen und sogar atomaren Phänomenen. Es sollte anerkannt werden, dass Spiegelasymmetrie auf der grundlegendsten Ebene eine Eigenschaft der Natur ist.
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Starkes Zusammenspiel
Die starke Wechselwirkung ist kurzreichweitig. Sein Aktionsradius beträgt ca. 10-13 cm.
Die an der starken Wechselwirkung beteiligten Teilchen werden Hadronen genannt. In einer gewöhnlichen stabilen Substanz bei nicht zu hoher Temperatur verursacht eine starke Wechselwirkung keine Prozesse. Seine Aufgabe besteht darin, eine starke Bindung zwischen Nukleonen (Protonen und Neutronen) in Kernen herzustellen. Die Bindungsenergie beträgt durchschnittlich etwa 8 MeV pro Nukleon. In diesem Fall führt eine starke Wechselwirkung bei Kollisionen von Kernen oder Nukleonen mit ausreichend hoher Energie (in der Größenordnung von Hunderten von MeV) zu zahlreichen Kernreaktionen: Spaltung von Kernen, Umwandlung einiger Kerne in andere usw.
Beginnend mit Energien kollidierender Nukleonen in der Größenordnung von mehreren hundert MeV führt die starke Wechselwirkung zur Produktion von P-Mesonen. Bei noch höheren Energien entstehen K-Mesonen und Hyperonen und viele Mesonen- und Baryonenresonanzen (Resonanzen sind kurzlebige angeregte Zustände von Hadronen).
Gleichzeitig stellte sich heraus, dass nicht alle Teilchen eine starke Wechselwirkung erfahren. Es wird also von Protonen und Neutronen erfahren, aber Elektronen, Neutrinos und Photonen unterliegen ihm nicht. An der starken Wechselwirkung sind in der Regel nur schwere Teilchen beteiligt.
Die theoretische Erklärung der Natur der starken Wechselwirkung war schwierig zu entwickeln. Ein Durchbruch wurde erst in den frühen 1960er Jahren skizziert, als das Quark-Modell vorgeschlagen wurde. In dieser Theorie werden Neutronen und Protonen nicht als Elementarteilchen, sondern als zusammengesetzte Systeme aus Quarks betrachtet.
Die starken Wechselwirkungsquanten sind acht Gluonen. Gluonen haben ihren Namen vom englischen Wort glue (glue) bekommen, weil sie für den Einschluss von Quarks verantwortlich sind. Die Ruhemassen von Gluonen sind gleich Null. Gleichzeitig haben Gluonen eine Farbladung, aufgrund derer sie in der Lage sind, miteinander zu interagieren, wie sie sagen, der Selbstaktion, was aufgrund ihrer Nichtlinearität zu Schwierigkeiten führt, die starke Wechselwirkung mathematisch zu beschreiben.
Sein Aktionsradius beträgt weniger als 10-15 cm.Schwache Wechselwirkung ist um mehrere Größenordnungen schwächer als nicht nur stark, sondern auch elektromagnetisch. Gleichzeitig ist sie viel stärker als die Gravitation im Mikrokosmos.
Der erste entdeckte und am weitesten verbreitete Prozess, der durch die schwache Wechselwirkung verursacht wird, ist der radioaktive b-Zerfall von Kernen.
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Diese Art von Radioaktivität wurde 1896 von A.A. Becquerel.em. Im Prozess des radioaktiven elektronischen Zerfalls / b - - / zerfällt eines der Neutronen / n/ Atomkern wird zum Proton / R/ mit Elektronenemission / e-/ und elektronisches Antineutrino //:
n ® p + e-+
Beim Zerfall des Positrons /b + -/ tritt ein Übergang auf:
p® n + e++
In der ersten Theorie des b-Zerfalls, die 1934 von E. Fermi entwickelt wurde, musste zur Erklärung dieses Phänomens eine Hypothese über die Existenz einer speziellen Art von Kräften mit kurzer Reichweite eingeführt werden, die den Übergang verursachen
n ® p + e-+
Weitere Untersuchungen zeigten, dass die von Fermi eingeführte Wechselwirkung einen universellen Charakter hat.
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Es bewirkt den Zerfall aller instabilen Teilchen, deren Massen und Auswahlregeln für Quantenzahlen es ihnen nicht erlauben, aufgrund starker oder elektromagnetischer Wechselwirkung zu zerfallen. Schwache Wechselwirkung ist allen Teilchen eigen, mit Ausnahme von Photonen. Die charakteristische Zeit der schwachen Wechselwirkungsprozesse bei Energien in der Größenordnung von 100 MeV ist 13–14 Größenordnungen länger als die charakteristische Zeit für die starke Wechselwirkung.
Schwache Wechselwirkungsquanten sind drei Bosonen - W + , W − , Z°- Bosonen. Hochgestellte Zeichen geben das Vorzeichen der elektrischen Ladung dieser Quanten an. Die Quanten der schwachen Wechselwirkung haben eine erhebliche Masse, was dazu führt, dass sich die schwache Wechselwirkung in sehr kurzen Abständen manifestiert.
Dabei ist zu berücksichtigen, dass die schwache und die elektromagnetische Wechselwirkung heute bereits in einer einzigen Theorie zusammengefasst sind. Es gibt eine Reihe theoretischer Schemata, in denen versucht wird, eine einheitliche Theorie aller Interaktionstypen zu erstellen. Diese Schemata sind jedoch noch nicht weit genug entwickelt, um experimentell getestet zu werden.
26. Bauphysik. Korpuskulärer Ansatz zur Beschreibung und Erklärung der Natur. Reduktionismus
Die Objekte der Strukturphysik sind Elemente der Struktur der Materie (z. B. Moleküle, Atome, Elementarteilchen) und komplexere Bildung von ihnen. Das:
1) Plasma - es ist ein Gas, in dem ein erheblicher Teil der Moleküle oder Atome ionisiert ist;
2) Kristalle- dies sind Festkörper, in denen Atome oder Moleküle geordnet angeordnet sind und eine sich periodisch wiederholende innere Struktur bilden;
3) Flüssigkeiten- dies ist der Aggregatzustand der Materie, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ vereint die Eigenschaften eines festen (Volumenerhalt, eine gewisse Zugfestigkeit) und gasförmigen (Formvariabilität).
Flüssigkeiten sind gekennzeichnet durch:
a) Nahordnung in der Anordnung von Teilchen (Moleküle, Atome);
b) ein kleiner Unterschied in der kinetischen Energie der thermischen Bewegung und ihrer potentiellen Wechselwirkungsenergie.
4) Sterne,ᴛ.ᴇ. leuchtende Gas (Plasma) Kugeln.
Beim Hervorheben der Strukturgleichungen der Materie werden die folgenden Kriterien verwendet:
Räumliche Dimensionen: Teilchen der gleichen Ebene haben räumliche Dimensionen der gleichen Größenordnung (zum Beispiel haben alle Atome Dimensionen in der Größenordnung von 10 –8 cm);
Die Zeit der Prozesse: Auf einer Ebene ist es ungefähr die gleiche Reihenfolge;
Objekte der gleichen Ebene bestehen aus den gleichen Elementen (z. B. bestehen alle Kerne aus Protonen und Neutronen);
Die Gesetze, die Prozesse auf einer Ebene erklären, unterscheiden sich qualitativ von den Gesetzen, die Prozesse auf einer anderen Ebene erklären;
Objekte verschiedener Ebenen unterscheiden sich in grundlegenden Eigenschaften (z. B. sind alle Atome elektrisch neutral und alle Kerne positiv elektrisch geladen).
Mit der Entdeckung neuer Strukturebenen und Materiezustände erweitert sich der Gegenstandsbereich der Strukturphysik.
Dabei ist zu beachten, dass bei der Lösung konkreter physikalischer Probleme die Fragen der Struktur-, Wechselwirkungs- und Bewegungsaufklärung eng miteinander verflochten sind.
Der Strukturphysik liegt der korpuskulare Ansatz zur Beschreibung und Erklärung der Natur zugrunde.
Der Begriff des Atoms als letztes und unteilbares Teilchen des Körpers tauchte erstmals im antiken Griechenland im Rahmen der naturphilosophischen Lehre der Schule des Leukippos-Demokrit auf. Nach dieser Ansicht gibt es auf der Welt nur Atome, die sich im Nichts bewegen. Die alten Atomisten hielten die Kontinuität der Materie für offensichtlich. Verschiedene Kombinationen von Atomen bilden verschiedene sichtbare Körper. Diese Hypothese basierte nicht auf experimentellen Daten. Sie war nur eine brillante Vermutung. Aber sie bestimmte die gesamte Weiterentwicklung der Naturwissenschaft für viele Jahrhunderte.
Die Hypothese von Atomen als unteilbaren Materieteilchen wurde in den Naturwissenschaften wiederbelebt, insbesondere in Physik und Chemie, um einige Muster zu erklären, die empirisch festgestellt wurden (z. B. die Gesetze von Boyle-Mariotte und Gay-Lussac für ideale Gase, thermische Ausdehnung von Körpern usw.) d.). Tatsächlich besagt das Gesetz von Boyle-Mariotte, dass das Volumen eines Gases umgekehrt proportional zu seinem Druck ist, aber es erklärt nicht, warum dies so ist. Auch wenn ein Körper erhitzt wird, nehmen seine Abmessungen zu. Aber was ist der Grund für diese Erweiterung? In der kinetischen Theorie der Materie werden diese und andere durch Erfahrung festgestellte Gesetzmäßigkeiten mit Hilfe von Atomen und Molekülen erklärt.
Tatsächlich wird die direkt beobachtete und gemessene Abnahme des Gasdrucks bei Zunahme seines Volumens in der kinetischen Theorie der Materie als Zunahme der freien Weglänge seiner konstituierenden Atome und Moleküle erklärt. Dadurch nimmt das vom Gas eingenommene Volumen zu. In ähnlicher Weise wird die Ausdehnung von Körpern bei Erwärmung in der kinetischen Theorie der Materie durch eine Zunahme der Durchschnittsgeschwindigkeit sich bewegender Moleküle erklärt.
Erklärungen, in denen versucht wird, die Eigenschaften komplexer Stoffe oder Körper auf die Eigenschaften ihrer einfacheren Elemente oder Bestandteile zu reduzieren Reduktionismus. Diese Analysemethode ermöglichte die Lösung einer großen Klasse von Problemen in den Naturwissenschaften.
Bis Ende des 19. Jahrhunderts. Man glaubte, dass das Atom das kleinste, unteilbare, strukturlose Teilchen der Materie ist. Gleichzeitig zeigten die Entdeckungen der Elektron-Radioaktivität, dass dem nicht so ist. Rutherfords Planetenmodell des Atoms entsteht. Dann wird es durch das Modell N. Bora ersetzt. Aber nach wie vor zielt das Denken der Physiker darauf ab, die ganze Vielfalt komplexer Eigenschaften von Körpern und Naturphänomenen auf die einfachen Eigenschaften weniger Primärteilchen zu reduzieren. Anschließend wurden diese Teilchen benannt elementar. Jetzt übersteigt ihre Gesamtzahl 350. Aus diesem Grund ist es unwahrscheinlich, dass alle diese Partikel als wirklich elementar bezeichnet werden können und keine anderen Elemente enthalten. Dieser Glaube wird im Zusammenhang mit der Hypothese der Existenz von Quarks verstärkt. Demnach bestehen bekannte Elementarteilchen aus Teilchen mit gebrochener elektrischer Ladung. Sie heißen Quarks.
Je nach Art der Wechselwirkung, an der Elementarteilchen beteiligt sind, werden alle mit Ausnahme des Photons in zwei Gruppen eingeteilt:
1) Hadronen. Es ist erwähnenswert, dass sie durch das Vorhandensein einer starken Wechselwirkung gekennzeichnet sind. Gleichzeitig können sie auch an schwachen und elektromagnetischen Wechselwirkungen teilnehmen;
2) Leptonen. Οʜᴎ nehmen nur an elektromagnetischen und schwachen Wechselwirkungen teil;
Nach der Lebensdauer werden unterschieden:
a) stabile Elementarteilchen. Dies sind das Elektron, Photon, Proton und Neutrino;
b) quasistabil. Dies sind Teilchen, die aufgrund elektromagnetischer und schwacher Wechselwirkungen zerfallen. Zum Beispiel zu + ® m + +;
c) instabil. Οʜᴎ Zerfall aufgrund starker Wechselwirkung, zum Beispiel, Neutron.
Die elektrische Ladung von Elementarteilchen ist ein Vielfaches der kleinsten Ladung, die einem Elektron innewohnt. Gleichzeitig werden Elementarteilchen in Paare von Teilchen - Antiteilchen unterteilt, zum Beispiel e - - e + (sie haben alle die gleichen Eigenschaften und die Vorzeichen der elektrischen Ladung sind entgegengesetzt). Auch elektrisch neutrale Teilchen haben Antiteilchen, z. P -,- .
Das atomistische Konzept basiert also auf dem Konzept der diskreten Struktur der Materie. Der atomistische Ansatz erklärt die Eigenschaften eines physikalischen Objekts auf der Grundlage der Eigenschaften seiner kleinsten Teilchen, die auf einer bestimmten Erkenntnisstufe als unteilbar gelten. Historisch wurden solche Teilchen zuerst als Atome, dann als Elementarteilchen und jetzt als Quarks erkannt. Die Schwierigkeit dieses Ansatzes ist die vollständige Reduktion des Komplexen auf das Einfache, die die qualitativen Unterschiede zwischen ihnen nicht berücksichtigt.
Bis zum Ende des ersten Viertels des 20. Jahrhunderts wurde die Idee der Einheit der Struktur von Makro- und Mikrokosmos mechanistisch verstanden, als die vollständige Identität der Gesetze und die vollständige Ähnlichkeit der Struktur beider.
Mikropartikel wurden als Miniaturkopien von Makrokörpern interpretiert, ᴛ.ᴇ. als extrem kleine Kugeln (Körperchen), die sich entlang präziser Umlaufbahnen bewegen, die den Umlaufbahnen von Planeten völlig analog sind, mit dem einzigen Unterschied, dass Himmelskörper durch gravitative Wechselwirkungskräfte und Mikropartikel durch elektrische Wechselwirkungskräfte verbunden sind.
Nach der Entdeckung des Elektrons (Thomson, 1897 ᴦ.), der Entstehung der Quantentheorie (Planck, 1900 ᴦ.), der Einführung des Photonenbegriffs (Einstein, 1905 ᴦ.), erhielt die Atomlehre einen neuen Charakter .
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Die Idee der Diskretion wurde auf das Gebiet der elektrischen und Lichtphänomene, auf den Energiebegriff ausgedehnt (im 19. Jahrhundert diente die Energielehre als Repräsentationssphäre kontinuierlicher Größen und Zustandsfunktionen). Das wichtigste Merkmal der modernen Atomlehre ist der Atomismus des Handelns. Es hängt damit zusammen, dass die Bewegung, Eigenschaften und Zustände verschiedener Mikroobjekte quantisiert werden können, ᴛ.ᴇ. werden in Form von diskreten Größen und Verhältnissen ausgedrückt. Die neue Atomistik erkennt die relative Stabilität jeder diskreten Art von Materie an, ihre qualitative Gewissheit, ihre relative Unteilbarkeit und Irreversibilität innerhalb bestimmter Grenzen natürlicher Phänomene. Zum Beispiel ist das Atom, da es auf gewisse physikalische Weise teilbar ist, chemisch unteilbar, ᴛ.ᴇ. in chemischen Prozessen verhält es sich wie etwas Ganzes, Unteilbares. Ein Molekül, das chemisch in Atome teilbar ist, verhält sich in thermischer Bewegung (bis zu gewissen Grenzen) als Ganzes, unteilbar usw.
Besonders wichtig im Konzept der neuen Atomistik ist die Anerkennung der gegenseitigen Konvertierbarkeit beliebiger diskreter Arten von Materie.
Verschiedene Ebenen der strukturellen Organisation der physikalischen Realität (Quarks, Mikropartikel, Kerne, Atome, Moleküle, Makrokörper, Megasysteme) haben ihre eigenen spezifischen physikalischen Gesetzmäßigkeiten. Aber ganz gleich, wie sich die untersuchten Phänomene von den Phänomenen unterscheiden, die von der klassischen Physik untersucht werden, alle experimentellen Daten müssen mit klassischen Konzepten beschrieben werden. Es besteht ein grundlegender Unterschied zwischen der Beschreibung des Verhaltens des untersuchten Mikroobjekts und der Beschreibung der Funktionsweise von Messgeräten. Dies ergibt sich aus der Tatsache, dass die Bedienung von Messgeräten grundsätzlich in der Sprache der klassischen Physik beschrieben werden sollte, der Untersuchungsgegenstand jedoch nicht in dieser Sprache beschrieben werden darf.
Der korpuskuläre Ansatz zur Erklärung physikalischer Phänomene und Prozesse wurde seit dem Aufkommen der Wechselwirkungsphysik immer mit dem Kontinuum-Ansatz kombiniert. Es drückte sich im Konzept des Feldes und der Offenlegung seiner Rolle in der physikalischen Interaktion aus. Die Darstellung des Feldes als Strömung einer bestimmten Art von Teilchen (Quantenfeldtheorie) und die Zuordnung von Welleneigenschaften zu beliebigen physikalischen Objekten (Louis de Broglies Hypothese) kombinierten diese beiden Ansätze zur Analyse physikalischer Phänomene.
Schwache Interaktion - Konzept und Typen. Einstufung und Merkmale der Kategorie „Schwache Interaktion“ 2017, 2018.
Schwache Interaktion.K Um die Existenz der schwachen Wechselwirkung aufzudecken, machte die Physik langsam Fortschritte. Die schwache Kraft ist für Teilchenzerfälle verantwortlich; und daher wurde seine Manifestation mit der Entdeckung der Radioaktivität und der Untersuchung des Beta-Zerfalls konfrontiert.
Der Beta-Zerfall wies ein höchst bizarres Merkmal auf. Studien führten zu dem Schluss, dass dieser Zerfall eines der Grundgesetze der Physik zu verletzen scheint - das Energieerhaltungsgesetz. Es schien, dass ein Teil der Energie irgendwo verschwunden war. Um das Energieerhaltungsgesetz zu „retten“, schlug V. Pauli vor, dass während des Beta-Zerfalls zusammen mit einem Elektron ein weiteres Teilchen herausfliegt und die fehlende Energie mitnimmt. Es ist neutral und hat eine ungewöhnlich hohe Durchschlagskraft, wodurch es nicht beobachtet werden konnte. E. Fermi nannte das unsichtbare Teilchen "Neutrino".
Aber die Vorhersage des Neutrinos ist nur der Anfang des Problems, seine Formulierung. Es war notwendig, die Natur des Neutrinos zu erklären, aber es blieb eine Menge Rätsel. Tatsache ist, dass Elektronen und Neutrinos von instabilen Kernen emittiert wurden. Aber es ist unwiderlegbar bewiesen, dass es solche Teilchen nicht im Inneren von Kernen gibt. Es wurde vermutet, dass Elektronen und Neutrinos nicht in „vorgefertigter Form“ im Kern existieren, sondern irgendwie aus der Energie des radioaktiven Kerns gebildet werden. Weitere Untersuchungen zeigten, dass die Neutronen, aus denen der Kern besteht, sich selbst überlassen nach wenigen Minuten in ein Proton, ein Elektron und ein Neutrino zerfallen, d.h. Anstelle eines Partikels erscheinen drei neue. Die Analyse führte zu dem Schluss, dass bekannte Kräfte einen solchen Zerfall nicht verursachen können. Er wurde anscheinend von einer anderen, unbekannten Kraft erzeugt. Studien haben gezeigt, dass diese Kraft einer schwachen Wechselwirkung entspricht.
Die schwache Wechselwirkung ist viel kleiner als alle
andere Wechselwirkungen als die Gravitation, und in Systemen, in denen sie vorhanden ist, werden ihre Auswirkungen von elektromagnetischen und starken Wechselwirkungen überschattet. Außerdem breitet sich die schwache Kraft über sehr kleine Distanzen aus. Der Radius der schwachen Wechselwirkung ist sehr klein. Die schwache Wechselwirkung hört bei einer Entfernung von mehr als 10-16 cm von der Quelle auf und kann daher makroskopische Objekte nicht beeinflussen, sondern ist auf den Mikrokosmos, subatomare Teilchen, beschränkt. Als die lawinenartige Entdeckung vieler instabiler subnuklearer Teilchen begann, wurde festgestellt, dass die meisten von ihnen an einer schwachen Wechselwirkung beteiligt sind.
Starke Interaktion.Last Zu den fundamentalen Wechselwirkungen gehört die starke Wechselwirkung, die eine Quelle enormer Energie ist. Das charakteristischste Beispiel für die von der starken Kraft freigesetzte Energie ist die Sonne. In den Tiefen der Sonne und der Sterne finden ständig thermonukleare Reaktionen statt, die durch starke Wechselwirkungen verursacht werden. Aber auch der Mensch hat gelernt, die starke Wechselwirkung freizusetzen: Eine Wasserstoffbombe wurde geschaffen, Technologien zur kontrollierten thermonuklearen Reaktion wurden entworfen und werden verbessert.
Auf die Idee der Existenz einer starken Wechselwirkung kam die Physik im Zuge der Untersuchung der Struktur des Atomkerns. Eine gewisse Kraft muss die positiv geladenen Protonen im Kern halten und verhindern, dass sie unter der Wirkung der elektrostatischen Abstoßung auseinanderfliegen. Die Schwerkraft ist zu schwach, um dies zu leisten; Offensichtlich ist außerdem eine Art Wechselwirkung erforderlich, die stärker als elektromagnetisch ist. Es wurde später entdeckt. Es stellte sich heraus, dass die starke Wechselwirkung zwar alle anderen fundamentalen Wechselwirkungen in ihrer Größenordnung deutlich übertrifft, außerhalb des Kerns aber nicht zu spüren ist. Wie bei der schwachen Wechselwirkung erwies sich der Wirkungsradius der neuen Kraft als sehr klein: Die starke Wechselwirkung manifestiert sich in einem Abstand, der durch die Größe des Kerns bestimmt wird, d.h. ca. 10-13 cm Außerdem stellte sich heraus, dass nicht alle Teilchen eine starke Wechselwirkung erfahren. Es wird also von Protonen und Neutronen erfahren, aber Elektronen, Neutrinos und Photonen unterliegen ihm nicht. An der starken Wechselwirkung sind in der Regel nur schwere Teilchen beteiligt. Es ist für die Bildung von Kernen und viele Wechselwirkungen von Elementarteilchen verantwortlich.
Die theoretische Erklärung der Natur der starken Wechselwirkung war schwierig zu entwickeln. Ein Durchbruch wurde erst in den frühen 1960er Jahren skizziert, als das Quark-Modell vorgeschlagen wurde. In dieser Theorie werden Neutronen und Protonen nicht als Elementarteilchen, sondern als zusammengesetzte Systeme aus Quarks betrachtet.
Gravitationswechselwirkung besteht zwischen allen Elementarteilchen und bestimmt die gravitative Anziehung aller Körper zueinander in beliebiger Entfernung (siehe Gesetz der universellen Gravitation); bei physikalischen Prozessen im Mikrokosmos ist es vernachlässigbar klein, spielt aber zum Beispiel in der Kosmogonie eine große Rolle. Schwache Interaktion manifestiert sich erst in Entfernungen von etwa 10-18 m und verursacht Zerfallsprozesse (zum Beispiel Beta-Zerfall einiger Elementarteilchen u
Kerne). Elektromagnetische Wechselwirkung besteht in jedem Abstand zwischen Elementarteilchen, die eine elektrische Ladung oder ein magnetisches Moment haben; Insbesondere bestimmt es die Verbindung von Elektronen und Kernen in Atomen und ist auch für alle Arten von elektromagnetischer Strahlung verantwortlich. Eine starke Wechselwirkung manifestiert sich in Entfernungen von etwa 10-15 m und bestimmt die Existenz von Atomkernen.
Schwache Interaktion
Diese Wechselwirkung ist die schwächste der fundamentalen Wechselwirkungen, die experimentell beim Zerfall von Elementarteilchen beobachtet wurden, wo Quanteneffekte von grundlegender Bedeutung sind. Erinnern Sie sich daran, dass Quantenmanifestationen der Gravitationswechselwirkung nie beobachtet wurden. Schwache Wechselwirkung wird anhand der folgenden Regel herausgegriffen: Wenn ein Elementarteilchen namens Neutrino (oder Antineutrino) an dem Wechselwirkungsprozess teilnimmt, dann ist diese Wechselwirkung schwach.
Die schwache Wechselwirkung ist viel intensiver als die gravitative.
Die schwache Wechselwirkung ist im Gegensatz zur Gravitation kurzreichweitig. Das bedeutet, dass die schwache Wechselwirkung zwischen Teilchen nur dann zum Tragen kommt, wenn die Teilchen nahe genug beieinander liegen. Wenn der Abstand zwischen den Teilchen einen bestimmten Wert überschreitet, der als charakteristischer Wechselwirkungsradius bezeichnet wird, tritt die schwache Wechselwirkung nicht auf. Es wurde experimentell festgestellt, dass der charakteristische Radius der schwachen Wechselwirkung in der Größenordnung von 10–15 cm, dh die schwache Wechselwirkung, auf Entfernungen konzentriert ist, die kleiner sind als die Größe des Atomkerns.
Warum können wir von der schwachen Wechselwirkung als einer eigenständigen Form fundamentaler Wechselwirkungen sprechen? Die Antwort ist einfach. Es wurde festgestellt, dass es Transformationsprozesse von Elementarteilchen gibt, die nicht auf gravitative, elektromagnetische und starke Wechselwirkungen reduziert werden können. Ein gutes Beispiel, das zeigt, dass es bei nuklearen Phänomenen drei qualitativ unterschiedliche Wechselwirkungen gibt, bezieht sich auf die Radioaktivität. Experimente weisen auf das Vorhandensein von drei verschiedenen Arten von Radioaktivität hin: a-, b- und g-radioaktive Zerfälle. In diesem Fall ist a-Zerfall auf starke Wechselwirkung zurückzuführen, g-Zerfall - elektromagnetisch. Der verbleibende b-Zerfall kann nicht durch die elektromagnetischen und starken Wechselwirkungen erklärt werden, und wir müssen akzeptieren, dass es eine andere grundlegende Wechselwirkung gibt, die als schwache bezeichnet wird. Die Notwendigkeit, eine schwache Wechselwirkung einzuführen, ist im Allgemeinen darauf zurückzuführen, dass in der Natur Prozesse ablaufen, bei denen elektromagnetische und starke Zerfälle durch Naturschutzgesetze verboten sind.
Obwohl die schwache Wechselwirkung im Wesentlichen innerhalb des Kerns konzentriert ist, hat sie bestimmte makroskopische Manifestationen. Wie wir bereits festgestellt haben, ist es mit dem Prozess der b-Radioaktivität verbunden. Darüber hinaus spielt die schwache Wechselwirkung eine wichtige Rolle bei den sogenannten thermonuklearen Reaktionen, die für den Mechanismus der Energiefreisetzung in Sternen verantwortlich sind.
Die erstaunlichste Eigenschaft der schwachen Wechselwirkung ist die Existenz von Prozessen, in denen sich Spiegelasymmetrie manifestiert. Auf den ersten Blick scheint es offensichtlich, dass die Unterscheidung zwischen den Begriffen links und rechts willkürlich ist. Tatsächlich sind die Prozesse der Gravitation, der elektromagnetischen und der starken Wechselwirkung invariant in Bezug auf die räumliche Inversion, die eine Spiegelreflexion implementiert. Es wird gesagt, dass in solchen Prozessen die räumliche Parität P erhalten bleibt, jedoch wurde experimentell festgestellt, dass schwache Prozesse ohne Erhaltung der räumlichen Parität ablaufen können und daher den Unterschied zwischen links und rechts zu spüren scheinen. Gegenwärtig gibt es solide experimentelle Beweise dafür, dass die Nichterhaltung der Parität bei schwachen Wechselwirkungen universeller Natur ist; sie manifestiert sich nicht nur in den Zerfällen von Elementarteilchen, sondern auch in nuklearen und sogar atomaren Phänomenen. Es sollte anerkannt werden, dass Spiegelasymmetrie auf der grundlegendsten Ebene eine Eigenschaft der Natur ist.
Alle geladenen Körper, alle geladenen Elementarteilchen nehmen an der elektromagnetischen Wechselwirkung teil. In diesem Sinne ist es ziemlich universell. Die klassische Theorie der elektromagnetischen Wechselwirkung ist die Maxwellsche Elektrodynamik. Als Kopplungskonstante wird die Elektronenladung e angenommen.
Betrachten wir zwei Ruhepunktladungen q1 und q2, so wird ihre elektromagnetische Wechselwirkung auf eine bekannte elektrostatische Kraft reduziert. Dies bedeutet, dass die Wechselwirkung langreichweitig ist und mit zunehmendem Abstand zwischen den Ladungen langsam abnimmt. Ein geladenes Teilchen sendet ein Photon aus, wodurch sich sein Bewegungszustand ändert. Ein anderes Teilchen absorbiert dieses Photon und ändert ebenfalls seinen Bewegungszustand. Infolgedessen scheinen die Partikel die Anwesenheit des anderen zu spüren. Es ist allgemein bekannt, dass elektrische Ladung eine dimensionale Größe ist. Es ist zweckmäßig, die dimensionslose Kopplungskonstante der elektromagnetischen Wechselwirkung einzuführen. Dazu müssen wir die Fundamentalkonstanten und c verwenden. Als Ergebnis erhalten wir folgende dimensionslose Kopplungskonstante, die in der Atomphysik als Feinstrukturkonstante bezeichnet wird
Es ist leicht zu sehen, dass diese Konstante die Konstanten der gravitativen und schwachen Wechselwirkung deutlich übersteigt.
Aus heutiger Sicht sind die elektromagnetische und die schwache Wechselwirkung verschiedene Aspekte der einzelnen elektroschwachen Wechselwirkung. Es wurde eine einheitliche Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung geschaffen – die Weinberg-Salam-Glashow-Theorie, die alle Aspekte elektromagnetischer und schwacher Wechselwirkungen aus einer einheitlichen Position erklärt. Ist es möglich, auf einer qualitativen Ebene zu verstehen, wie die einheitliche Interaktion in getrennte, gleichsam unabhängige Interaktionen aufgeteilt wird?
Solange die charakteristischen Energien klein genug sind, sind elektromagnetische und schwache Wechselwirkung getrennt und beeinflussen sich nicht gegenseitig. Mit zunehmender Energie beginnt ihre gegenseitige Beeinflussung, und bei ausreichend hohen Energien verschmelzen diese Wechselwirkungen zu einer einzigen elektroschwachen Wechselwirkung. Die charakteristische Vereinigungsenergie wird in der Größenordnung auf 102 GeV geschätzt (GeV ist die Abkürzung für Gigaelektronenvolt, 1 GeV = 109 eV, 1 eV = 1,6 · 10-12 erg = 1,6 · 1019 J). Zum Vergleich stellen wir fest, dass die charakteristische Energie eines Elektrons im Grundzustand eines Wasserstoffatoms etwa 10-8 GeV beträgt, die charakteristische Bindungsenergie eines Atomkerns etwa 10-2 GeV beträgt, die charakteristische Bindungsenergie eines Festkörpers beträgt etwa 10-10 GeV. Somit ist die charakteristische Energie der Vereinigung von elektromagnetischer und schwacher Wechselwirkung im Vergleich zu den charakteristischen Energien in der Atom- und Kernphysik enorm. Aus diesem Grund offenbaren elektromagnetische und schwache Wechselwirkungen ihr gemeinsames Wesen nicht in gewöhnlichen physikalischen Phänomenen.
Starkes Zusammenspiel
Die starke Kraft ist für die Stabilität von Atomkernen verantwortlich. Da die Atomkerne der meisten chemischen Elemente stabil sind, ist klar, dass die Wechselwirkung, die sie vor dem Zerfall bewahrt, stark genug sein muss. Bekanntlich bestehen Kerne aus Protonen und Neutronen. Damit positiv geladene Protonen nicht in verschiedene Richtungen streuen, müssen Anziehungskräfte zwischen ihnen herrschen, die die Kräfte der elektrostatischen Abstoßung übersteigen. Es ist die starke Wechselwirkung, die für diese Anziehungskräfte verantwortlich ist.
Ein charakteristisches Merkmal der starken Wechselwirkung ist ihre Ladungsunabhängigkeit. Die nuklearen Anziehungskräfte zwischen Protonen, zwischen Neutronen und zwischen einem Proton und einem Neutron sind im Wesentlichen gleich. Daraus folgt, dass Proton und Neutron aus Sicht starker Wechselwirkungen nicht voneinander zu unterscheiden sind und für sie der einzige Begriff Nukleon verwendet wird, dh ein Teilchen des Kerns.
Wir haben also die grundlegenden Informationen zu den vier grundlegenden Wechselwirkungen der Natur überprüft. Die mikroskopischen und makroskopischen Manifestationen dieser Wechselwirkungen und das Bild der physikalischen Phänomene, in denen sie eine wichtige Rolle spielen, werden kurz beschrieben.
