Ini adalah interaksi fundamental ketiga yang hanya ada dalam mikrokosmos. Ini bertanggung jawab atas transformasi beberapa partikel fermion menjadi partikel lain, sementara warna pepton dan quark yang berinteraksi lemah tidak berubah. Contoh khas dari interaksi lemah adalah proses peluruhan beta, di mana neutron bebas meluruh menjadi proton, elektron, dan antineutrino elektron dalam rata-rata 15 menit. Peluruhan ini disebabkan oleh transformasi quark rasa d menjadi quark rasa u di dalam neutron. Elektron yang dipancarkan memastikan konservasi muatan listrik total, dan antineutrino memungkinkan konservasi momentum mekanik total sistem.
Interaksi yang kuat
Fungsi utama gaya kuat adalah untuk menggabungkan quark dan antiquark menjadi hadron. Teori interaksi kuat sedang dalam proses penciptaan. Ini adalah teori medan yang khas dan disebut kromodinamika kuantum. Posisi awalnya adalah postulat keberadaan tiga jenis muatan warna (merah, biru, hijau), yang menyatakan kemampuan yang melekat pada materi untuk menggabungkan quark dalam interaksi yang kuat. Masing-masing quark mengandung beberapa kombinasi muatan seperti itu, tetapi kompensasi timbal balik penuh mereka tidak terjadi, dan quark memiliki warna yang dihasilkan, yaitu, ia mempertahankan kemampuan untuk berinteraksi secara kuat dengan quark lainnya. Tetapi ketika tiga quark, atau quark dan antiquark, bergabung membentuk hadron, kombinasi total muatan warna di dalamnya adalah sedemikian rupa sehingga hadron secara keseluruhan berwarna netral. Muatan warna menciptakan bidang dengan kuanta - boson bawaannya. Pertukaran boson warna virtual antara quark dan (atau) antiquark berfungsi sebagai dasar material untuk interaksi yang kuat. Sebelum penemuan quark dan interaksi warna, interaksi nuklir dianggap fundamental, menyatukan proton dan neutron dalam inti atom. Dengan ditemukannya tingkat materi quark, interaksi kuat mulai dipahami sebagai interaksi warna antara quark yang bergabung menjadi hadron. Gaya nuklir tidak lagi dianggap fundamental, mereka entah bagaimana harus diekspresikan melalui gaya berwarna. Namun hal ini tidak mudah dilakukan, karena baryon (proton dan neutron) yang menyusun nukleus umumnya berwarna netral. Dengan analogi, kita dapat mengingat bahwa atom secara keseluruhan netral secara listrik, tetapi pada tingkat molekuler, gaya kimia muncul, yang dianggap sebagai gema gaya atom listrik.
Empat jenis interaksi mendasar yang dipertimbangkan mendasari semua bentuk gerak materi lainnya yang diketahui, termasuk yang telah muncul pada tahap perkembangan tertinggi. Setiap bentuk gerak yang kompleks, ketika didekomposisi menjadi komponen struktural, ditemukan sebagai modifikasi kompleks dari interaksi fundamental ini.
2. Perkembangan pandangan ilmiah tentang interaksi partikel sebelum penciptaan teori “Great Unification” secara evolusioner
The Grand Unified Theory adalah teori yang menggabungkan interaksi elektromagnetik, kuat dan lemah. Menyebutkan teori "Grand Unification", sampailah pada kenyataan bahwa semua kekuatan yang ada di alam adalah manifestasi dari satu kekuatan fundamental universal. Ada sejumlah pertimbangan yang memberi alasan untuk percaya bahwa pada saat Big Bang yang melahirkan alam semesta kita, hanya gaya ini yang ada. Namun, seiring waktu, alam semesta mengembang, yang berarti mendingin, dan gaya tunggal terpecah menjadi beberapa gaya berbeda, yang sekarang kita amati. Teori "Grand Unification" harus menggambarkan gaya elektromagnetik, kuat, lemah, dan gravitasi sebagai manifestasi dari satu gaya universal. Sudah ada beberapa kemajuan: para ilmuwan telah berhasil membangun teori yang menggabungkan interaksi elektromagnetik dan lemah. Namun, pekerjaan utama pada teori "Persatuan Hebat" masih ada di depan.
Fisika partikel modern dipaksa untuk membahas isu-isu yang, pada kenyataannya, mengkhawatirkan bahkan para pemikir kuno. Apa asal usul partikel dan atom kimia yang dibangun dari partikel-partikel ini? Dan bagaimana Kosmos, Semesta yang kita lihat, dibangun dari partikel, tidak peduli bagaimana kita menyebutnya? Dan satu hal lagi - apakah Semesta diciptakan, atau sudah ada sejak kekekalan? Jika ini adalah pertanyaan yang tepat, cara berpikir apa yang dapat mengarah pada jawaban yang meyakinkan? Semua pertanyaan ini mirip dengan pencarian prinsip-prinsip keberadaan yang sebenarnya, pertanyaan tentang sifat prinsip-prinsip ini.
Apa pun yang kita katakan tentang Kosmos, satu hal yang jelas bahwa segala sesuatu di dunia alami entah bagaimana terdiri dari partikel. Tetapi bagaimana komposisi ini harus dipahami? Diketahui bahwa partikel berinteraksi - mereka menarik atau menolak satu sama lain. Fisika partikel mempelajari berbagai interaksi. [Popper K. Tentang sumber pengetahuan dan ketidaktahuan // Vopr. sejarah ilmu pengetahuan dan teknologi alam, 1992, no.3, hlm. 32.]
Interaksi elektromagnetik menarik perhatian khusus pada abad ke-18–19. Persamaan dan perbedaan antara interaksi elektromagnetik dan gravitasi ditemukan. Seperti gravitasi, gaya interaksi elektromagnetik berbanding terbalik dengan kuadrat jarak. Tetapi, tidak seperti gravitasi, "gravitasi" elektromagnetik tidak hanya menarik partikel (berbeda dalam tanda muatannya), tetapi juga menolaknya satu sama lain (partikel yang bermuatan sama). Dan tidak semua partikel adalah pembawa muatan listrik. Misalnya, foton dan neutron dalam hal ini netral. Pada 50-an abad XIX. teori elektromagnetik D. C. Maxwell (1831–1879) menyatukan fenomena listrik dan magnet dan dengan demikian mengklarifikasi aksi gaya elektromagnetik. [Grunbaum A. Asal versus penciptaan dalam kosmologi fisik (distorsi teologis dari kosmologi fisik modern). - Q. filsafat, 1995, no.2, hlm. sembilan belas.]
Studi tentang fenomena radioaktivitas mengarah pada penemuan jenis interaksi khusus antara partikel, yang disebut interaksi lemah. Karena penemuan ini terkait dengan studi radioaktivitas beta, interaksi ini dapat disebut peluruhan beta. Namun, dalam literatur fisik, biasanya berbicara tentang interaksi lemah - ini lebih lemah daripada interaksi elektromagnetik, meskipun jauh lebih kuat daripada interaksi gravitasi. Penemuan ini difasilitasi oleh penelitian W. Pauli (1900–1958), yang meramalkan bahwa selama peluruhan beta, sebuah partikel netral muncul, mengimbangi pelanggaran hukum kekekalan energi, yang disebut neutrino. Dan selain itu, studi E. Fermi (1901–1954) berkontribusi pada penemuan interaksi lemah, yang, bersama dengan fisikawan lainnya, menyarankan bahwa elektron dan neutrino tidak ada dalam inti, sehingga dapat dikatakan, dalam bentuk jadi, sebelum mereka meninggalkan inti radioaktif, tetapi terbentuk selama proses radiasi. [Grunbaum A. Asal versus penciptaan dalam kosmologi fisik (distorsi teologis dari kosmologi fisik modern). - Q. filsafat, 1995, no.2, hal. 21.]
Akhirnya, interaksi keempat ternyata terkait dengan proses intranuklear. Disebut interaksi kuat, itu memanifestasikan dirinya sebagai daya tarik partikel intranuklear - proton dan neutron. Karena ukurannya yang besar, ternyata menjadi sumber energi yang sangat besar.
Studi tentang empat jenis interaksi mengikuti jalur pencarian koneksi mendalam mereka. Di jalan yang tidak jelas ini, dalam banyak hal, hanya prinsip simetri yang memandu penyelidikan dan mengarah pada identifikasi dugaan hubungan berbagai jenis interaksi.
Untuk mengungkapkan koneksi seperti itu, perlu beralih ke pencarian jenis simetri khusus. Contoh sederhana dari jenis simetri ini adalah ketergantungan kerja yang dilakukan saat mengangkat beban pada ketinggian lift. Energi yang dikeluarkan tergantung pada perbedaan ketinggian, tetapi tidak tergantung pada sifat jalur pendakian. Hanya perbedaan ketinggian yang signifikan dan tidak masalah sama sekali dari level mana kita memulai pengukuran. Dapat dikatakan bahwa kita berurusan di sini dengan simetri sehubungan dengan pilihan titik referensi.
Demikian pula, Anda dapat menghitung energi pergerakan muatan listrik dalam medan listrik. Analog dari ketinggian di sini adalah tegangan medan atau, sebaliknya, potensial listrik. Energi yang dikeluarkan selama pergerakan muatan hanya akan bergantung pada beda potensial antara titik akhir dan titik awal dalam ruang medan. Di sini kita berurusan dengan apa yang disebut pengukur atau, dengan kata lain, dengan simetri skala. Simetri pengukur yang berhubungan dengan medan listrik berhubungan erat dengan hukum kekekalan muatan listrik.
Simetri pengukur ternyata menjadi alat paling penting yang memunculkan kemungkinan menyelesaikan banyak kesulitan dalam teori partikel elementer dan dalam berbagai upaya untuk menyatukan berbagai jenis interaksi. Dalam elektrodinamika kuantum, misalnya, berbagai divergensi muncul. Divergensi ini dapat dihilangkan karena apa yang disebut prosedur renormalisasi, yang menghilangkan kesulitan teori, terkait erat dengan simetri pengukur. Muncul gagasan bahwa kesulitan dalam membangun teori tidak hanya elektromagnetik, tetapi juga interaksi lain dapat diatasi jika memungkinkan untuk menemukan simetri tersembunyi lainnya.
Simetri pengukur dapat mengambil karakter umum dan dapat dikaitkan dengan medan gaya apa pun. Pada akhir 1960-an S. Weinberg (lahir 1933) dari Universitas Harvard dan A. Salam (lahir 1926) dari Imperial College London, dengan mengandalkan karya S. Glashow (lahir 1932), melakukan penyatuan teoretis interaksi elektromagnetik dan interaksi lemah. Mereka menggunakan gagasan simetri pengukur dan konsep bidang pengukur yang terkait dengan gagasan ini. [Yakushev A. S. Konsep dasar ilmu pengetahuan alam modern. - M., Fakta-M, 2001, hlm. 29.]
Untuk interaksi elektromagnetik, bentuk simetri pengukur yang paling sederhana dapat diterapkan. Ternyata simetri interaksi lemah lebih rumit daripada simetri elektromagnetik. Kompleksitas ini disebabkan oleh kompleksitas proses itu sendiri, sehingga dapat dikatakan, mekanisme interaksi yang lemah.
Dalam proses interaksi lemah, misalnya, peluruhan neutron terjadi. Partikel seperti neutron, proton, elektron dan neutrino dapat berpartisipasi dalam proses ini. Selain itu, karena interaksi yang lemah, transformasi timbal balik partikel terjadi.
Ketentuan konseptual teori "Persatuan Hebat"
Dalam fisika teoretis modern, dua skema konseptual baru mengatur nada: apa yang disebut teori "Grand Unified" dan supersimetri.
Arahan ilmiah ini bersama-sama mengarah pada ide yang sangat menarik, yang menurutnya seluruh alam pada akhirnya tunduk pada tindakan semacam negara adidaya, yang memanifestasikan dirinya dalam berbagai "pribadi". Kekuatan ini cukup kuat untuk menciptakan Alam Semesta kita dan memberinya cahaya, energi, materi, dan struktur. Tapi negara adidaya lebih dari sekedar prinsip kreatif. Di dalamnya, materi, ruang-waktu, dan interaksi bergabung menjadi satu kesatuan harmonis yang tak terpisahkan, menghasilkan kesatuan Semesta yang tidak pernah dibayangkan sebelumnya. Tujuan sains, pada dasarnya, adalah untuk mencari kesatuan seperti itu. [Ovchinnikov N. F. Struktur dan simetri // Penelitian Sistem, M., 1969, hlm. 137.]
Berdasarkan hal ini, ada keyakinan tertentu dalam penyatuan semua fenomena alam hidup dan mati dalam kerangka skema deskriptif tunggal. Sampai saat ini, empat interaksi fundamental atau empat gaya di alam diketahui, yang bertanggung jawab atas semua interaksi partikel elementer yang diketahui - interaksi kuat, lemah, elektromagnetik, dan gravitasi. Interaksi kuat mengikat quark bersama-sama. Interaksi yang lemah bertanggung jawab atas beberapa jenis peluruhan nuklir. Gaya elektromagnetik bekerja di antara muatan listrik, dan gaya gravitasi bekerja di antara massa. Kehadiran interaksi tersebut merupakan syarat yang cukup dan perlu bagi konstruksi dunia di sekitar kita. Misalnya, tanpa gravitasi, tidak hanya tidak akan ada galaksi, bintang, dan planet, tetapi Semesta tidak mungkin muncul - lagi pula, konsep Semesta yang mengembang dan Big Bang, dari mana ruang-waktu berasal, didasarkan. pada gravitasi. Tanpa interaksi elektromagnetik, tidak akan ada atom, tidak ada kimia atau biologi, dan tidak ada panas matahari dan cahaya. Tanpa interaksi nuklir yang kuat, nukleus tidak akan ada, dan akibatnya, atom dan molekul, kimia dan biologi, serta bintang dan Matahari tidak dapat menghasilkan panas dan cahaya karena energi nuklir.
Bahkan gaya nuklir lemah pun berperan dalam pembentukan alam semesta. Tanpa mereka, reaksi nuklir di Matahari dan bintang-bintang tidak mungkin terjadi, tampaknya, ledakan supernova tidak akan terjadi, dan unsur-unsur berat yang diperlukan untuk kehidupan tidak dapat menyebar di Semesta. Hidup mungkin juga tidak ada. Jika kita setuju dengan pendapat bahwa keempat interaksi yang sama sekali berbeda ini, yang masing-masing diperlukan dengan caranya sendiri untuk munculnya struktur kompleks dan menentukan evolusi seluruh Semesta, dihasilkan oleh satu kekuatan super sederhana, maka keberadaan satu hukum dasar yang berlaku baik di alam hidup maupun mati tidak diragukan lagi. Penelitian modern menunjukkan bahwa pada suatu waktu keempat kekuatan ini dapat digabungkan menjadi satu.
Ini dimungkinkan pada karakteristik energi yang sangat besar dari era alam semesta awal tak lama setelah Big Bang. Memang, teori penyatuan interaksi elektromagnetik dan lemah telah dikonfirmasi secara eksperimental. Teori "Grand Unification" harus menggabungkan interaksi ini dengan yang kuat, dan teori "All That Is" harus menggambarkan keempat interaksi mendasar secara terpadu sebagai manifestasi dari satu interaksi. Sejarah termal Alam Semesta, mulai dari 10-43 detik. setelah Big Bang hingga hari ini, menunjukkan bahwa sebagian besar helium-4, helium-3, deuteron (inti deuterium - isotop berat hidrogen) dan lithium-7 terbentuk di alam semesta sekitar 1 menit setelah Big Bang .
Unsur-unsur yang lebih berat muncul di dalam bintang-bintang puluhan juta atau miliaran tahun kemudian, dan munculnya kehidupan sesuai dengan tahap akhir dari alam semesta yang berevolusi. Berdasarkan analisis teoretis yang dilakukan dan hasil simulasi komputer dari sistem disipatif yang beroperasi jauh dari kesetimbangan, di bawah kondisi aksi aliran energi rendah frekuensi kode, kami menyimpulkan bahwa ada dua proses paralel di Semesta - entropi dan informasi. Selain itu, proses entropi transformasi materi menjadi radiasi tidak dominan. [Teori Soldatov VK tentang "Unifikasi Hebat". - M., Postscript, 2000, hal. 38.]
Di bawah kondisi ini, jenis baru pengorganisasian diri evolusioner materi muncul, menghubungkan perilaku ruang-waktu yang koheren dari sistem dengan proses dinamis di dalam sistem itu sendiri. Kemudian, pada skala Semesta, hukum ini akan dirumuskan sebagai berikut: "Jika Ledakan Besar menyebabkan terbentuknya 4 interaksi mendasar, maka evolusi lebih lanjut dari organisasi ruang-waktu Semesta dihubungkan dengan penyatuannya. " Jadi, menurut pandangan kami, hukum kenaikan entropi harus diterapkan bukan pada bagian-bagian tertentu dari Semesta, tetapi pada seluruh proses evolusinya. Pada saat pembentukannya, Semesta ternyata terkuantisasi sesuai dengan tingkat ruang-waktu dari hierarki, yang masing-masing sesuai dengan salah satu interaksi mendasar. Fluktuasi yang dihasilkan, yang dianggap sebagai gambaran Semesta yang meluas, pada saat tertentu mulai memulihkan keseimbangannya. Proses evolusi lebih lanjut terjadi dalam bayangan cermin.
Dengan kata lain, dua proses terjadi secara bersamaan di alam semesta yang dapat diamati. Satu proses - anti-entropi - dikaitkan dengan pemulihan keseimbangan yang terganggu, dengan pengorganisasian diri materi dan radiasi ke keadaan makrokuantum (sebagai contoh fisik, seseorang dapat menyebutkan keadaan materi yang terkenal seperti superfluiditas, superkonduktivitas, dan kuantum). efek aula). Proses ini, tampaknya, menentukan evolusi yang konsisten dari proses fusi termonuklir di bintang, pembentukan sistem planet, mineral, flora, organisme uniseluler dan multiseluler. Ini secara otomatis mengikuti orientasi pengorganisasian diri dari prinsip ketiga evolusi progresif organisme hidup.
Proses lain adalah murni entropis di alam dan menggambarkan proses transisi evolusioner siklik dari materi yang mengatur diri sendiri (pembusukan - pengorganisasian diri). Ada kemungkinan bahwa prinsip-prinsip ini dapat menjadi dasar untuk membuat perangkat matematika yang memungkinkan Anda untuk menggabungkan keempat interaksi menjadi satu kekuatan super. Seperti yang telah dicatat, masalah inilah yang menjadi perhatian sebagian besar fisikawan teoretis saat ini. Argumentasi lebih lanjut dari prinsip ini jauh melampaui cakupan artikel ini dan terkait dengan konstruksi teori Pengorganisasian Diri Evolusi Alam Semesta. Oleh karena itu, mari kita buat kesimpulan utama dan lihat bagaimana penerapannya pada sistem biologis, prinsip-prinsip pengendaliannya, dan yang paling penting, pada teknologi baru untuk perawatan dan pencegahan kondisi patologis tubuh. Pertama-tama, kita akan tertarik pada prinsip dan mekanisme mempertahankan pengorganisasian diri dan evolusi organisme hidup, serta penyebab pelanggarannya, yang dimanifestasikan dalam bentuk berbagai patologi.
Yang pertama adalah prinsip kontrol frekuensi kode, yang tujuan utamanya adalah untuk mempertahankan, menyinkronkan, dan mengontrol aliran energi dalam sistem disipatif yang mengatur diri sendiri secara terbuka. Penerapan prinsip ini bagi organisme hidup mensyaratkan adanya pada setiap tingkat hierarki struktural suatu objek biologis (molekul, subseluler, seluler, jaringan, organoid, organisme, populasi, biocenotic, biotik, lanskap, biosfer, kosmik) adanya bioritmologi proses yang terkait dengan konsumsi dan konsumsi energi yang dapat diubah, yang menentukan aktivitas dan urutan proses dalam sistem. Mekanisme ini menempati tempat sentral pada tahap awal munculnya kehidupan dalam pembentukan struktur DNA dan prinsip reduplikasi kode diskrit informasi herediter, serta dalam proses seperti pembelahan sel dan diferensiasi selanjutnya. Seperti yang Anda ketahui, proses pembelahan sel selalu terjadi dalam urutan yang ketat: profase, metafase, telofase, dan kemudian anafase. Anda dapat melanggar kondisi pembelahan, mencegahnya, bahkan menghilangkan nukleus, tetapi urutannya akan selalu dipertahankan. Tanpa ragu, tubuh kita dilengkapi dengan sinkronisasi paling sempurna: sistem saraf yang peka terhadap perubahan sekecil apa pun di lingkungan eksternal dan internal, sistem humoral yang lebih lambat. Pada saat yang sama, sepatu infusoria, tanpa adanya sistem saraf dan humoral, hidup, memberi makan, mengeluarkan, mereproduksi, dan semua proses kompleks ini tidak berjalan secara acak, tetapi dalam urutan yang ketat: reaksi apa pun menentukan yang berikutnya, dan itu, pada gilirannya, mengeluarkan produk yang dibutuhkan untuk memulai reaksi berikutnya. [Teori Soldatov VK tentang "Unifikasi Hebat". - M., Postscript, 2000, hal. 59.]
Perlu dicatat bahwa bahkan teori Einstein menandai kemajuan penting dalam memahami alam sehingga segera revisi pandangan tentang kekuatan alam lainnya juga menjadi tak terelakkan. Pada saat ini, satu-satunya gaya "lain" yang keberadaannya sudah mapan adalah gaya elektromagnetik. Namun, secara lahiriah itu tidak terlihat seperti gravitasi sama sekali. Terlebih lagi, beberapa dekade sebelum teori gravitasi Einstein diciptakan, teori Maxwell berhasil menggambarkan elektromagnetisme, dan tidak ada alasan untuk meragukan validitas teori ini.
Sepanjang hidupnya, Einstein bermimpi menciptakan teori medan terpadu di mana semua kekuatan alam akan bergabung bersama berdasarkan geometri murni. Einstein mengabdikan sebagian besar hidupnya untuk mencari skema seperti itu setelah penciptaan teori relativitas umum. Namun, ironisnya, hal yang paling dekat dengan realisasi mimpi Einstein datang fisikawan Polandia yang kurang dikenal Theodor Kaluza, yang, pada tahun 1921, meletakkan dasar untuk pendekatan baru dan tak terduga untuk menyatukan fisika, yang masih mengejutkan imajinasi dengan keberaniannya. .
Dengan ditemukannya interaksi lemah dan kuat pada tahun 1930-an, gagasan tentang pemersatu gravitasi dan elektromagnetisme sebagian besar kehilangan daya tariknya. Sebuah teori medan terpadu yang konsisten seharusnya mencakup bukan dua, tetapi empat kekuatan. Jelas, ini tidak dapat dilakukan tanpa mencapai pemahaman yang mendalam tentang interaksi yang lemah dan kuat. Pada akhir 1970-an, berkat angin segar yang dibawa oleh Grand Unified Theories (GUT) dan supergravitasi, teori lama Kaluza-Klein dikenang. Dia "dibersihkan, berpakaian modis" dan termasuk di dalamnya semua interaksi yang dikenal saat ini.
Dalam GUT, para ahli teori berhasil mengumpulkan tiga jenis interaksi yang sangat berbeda dalam kerangka satu konsep; hal ini disebabkan oleh fakta bahwa ketiga interaksi tersebut dapat digambarkan dengan menggunakan medan pengukur. Properti utama bidang pengukur adalah keberadaan simetri abstrak, berkat pendekatan ini memperoleh keanggunan dan membuka kemungkinan yang luas. Kehadiran simetri medan gaya cukup jelas menunjukkan manifestasi dari beberapa geometri tersembunyi. Dalam teori Kaluza-Klein yang dihidupkan kembali, simetri bidang pengukur memperoleh konkrit - ini adalah simetri geometris yang terkait dengan dimensi ruang tambahan.
Seperti dalam versi aslinya, interaksi diperkenalkan ke dalam teori dengan menambahkan dimensi spasial tambahan ke ruang-waktu. Namun, karena kita sekarang harus mengakomodasi tiga jenis interaksi, kita harus memperkenalkan beberapa dimensi tambahan. Hitungan sederhana dari jumlah operasi simetri yang terlibat dalam GUT mengarah ke teori dengan tujuh dimensi spasial tambahan (sehingga jumlah totalnya mencapai sepuluh); jika waktu diperhitungkan, maka seluruh ruang-waktu memiliki sebelas dimensi. [Teori Soldatov VK tentang "Unifikasi Hebat". - M., Postscript, 2000, hal. 69.]
Ketentuan utama teori "Grand Unification" dari sudut pandang fisika kuantum
Dalam fisika kuantum, setiap skala panjang dikaitkan dengan skala energi (atau massa setara). Semakin kecil skala panjang yang diteliti, semakin tinggi energi yang dibutuhkan untuk ini. Untuk mempelajari struktur kuark proton membutuhkan energi yang setara dengan setidaknya sepuluh kali massa proton. Jauh lebih tinggi pada skala energi adalah massa yang sesuai dengan Penyatuan Besar. Jika kita berhasil mencapai massa (energi) yang begitu besar, yang kita sangat jauh dari hari ini, maka akan mungkin untuk mempelajari dunia partikel-X, di mana perbedaan antara quark dan lepton terhapus.
Jenis energi apa yang dibutuhkan untuk menembus "di dalam" 7-bola dan menjelajahi dimensi ruang tambahan? Menurut teori Kaluza-Klein, diperlukan untuk melampaui skala Grand Unification dan mencapai energi yang setara dengan 10 19 massa proton. Hanya dengan energi besar yang tak terbayangkan seperti itu, dimungkinkan untuk secara langsung mengamati manifestasi dimensi ruang tambahan.
Nilai besar ini - 10 19 massa proton - disebut massa Planck, sejak pertama kali diperkenalkan oleh Max Planck, pencipta teori kuantum. Dengan energi yang sesuai dengan massa Planck, keempat interaksi di alam akan bergabung menjadi kekuatan super tunggal, dan sepuluh dimensi spasial akan sepenuhnya sama. Jika dimungkinkan untuk memusatkan energi dalam jumlah yang cukup, "memastikan pencapaian massa Planck, maka dimensi penuh ruang akan memanifestasikan dirinya dalam semua kemegahannya. [Yakushev A. S. Konsep dasar ilmu pengetahuan alam modern. - M., Fakta -M, 2001, hlm. 122. ]
Memberikan kebebasan untuk berimajinasi, orang dapat membayangkan bahwa suatu hari umat manusia akan menguasai negara adidaya. Jika ini terjadi, maka kita akan memperoleh kekuasaan atas alam, karena adidaya pada akhirnya memunculkan semua interaksi dan semua objek fisik; dalam pengertian ini, itu adalah prinsip dasar dari semua hal. Setelah menguasai negara adidaya, kita dapat mengubah struktur ruang dan waktu, membengkokkan kekosongan dengan cara kita sendiri dan mengatur materi. Dengan mengendalikan negara adidaya, kita dapat membuat atau mengubah partikel sesuka hati, menghasilkan bentuk materi baru yang eksotis. Kita bahkan bisa memanipulasi dimensi ruang itu sendiri, menciptakan dunia buatan yang aneh dengan sifat yang tidak terpikirkan. Kami benar-benar akan menjadi penguasa alam semesta!
Tapi bagaimana ini bisa dicapai? Pertama-tama, Anda perlu mendapatkan energi yang cukup. Untuk memberikan gambaran tentang apa yang sedang kita bicarakan, ingatlah bahwa akselerator linier di Stanford, sepanjang 3 km, mempercepat elektron menjadi energi yang setara dengan 20 massa proton. Untuk mencapai energi Planck, akselerator harus diperpanjang dengan faktor 1018, menjadikannya seukuran Bima Sakti (sekitar seratus ribu tahun cahaya). Proyek semacam itu bukanlah salah satu yang dapat diimplementasikan di masa mendatang. [Wheeler J.A. Quantum and Universe // Astrofisika, kuanta dan teori relativitas, M., 1982, hlm. 276.]
Ada tiga ambang batas, atau skala, energi yang berbeda dalam Grand Unified Theory. Pertama-tama, ini adalah ambang Weinberg-Salam, setara dengan hampir 90 massa proton, di mana interaksi elektromagnetik dan lemah bergabung menjadi satu elektrolemah tunggal. Skala kedua, sesuai dengan 10 14 massa proton, adalah karakteristik dari Penyatuan Besar dan fisika baru yang didasarkan padanya. Akhirnya, skala pamungkas, massa Planck, yang setara dengan 1019 massa proton, sesuai dengan penyatuan lengkap semua interaksi, sebagai akibatnya dunia disederhanakan secara menakjubkan. Salah satu masalah terbesar yang belum terselesaikan adalah menjelaskan keberadaan ketiga skala ini, serta alasan perbedaan yang begitu kuat antara skala pertama dan kedua. [Teori Soldatov VK tentang "Unifikasi Hebat". - M., Postscript, 2000, hal. 76.]
Teknologi modern hanya mampu mencapai skala pertama. Peluruhan proton dapat memberi kita sarana tidak langsung untuk mempelajari dunia fisik pada skala Grand Unification, meskipun saat ini tampaknya tidak ada harapan untuk mencapai batas ini secara langsung, apalagi pada skala massa Planck.
Apakah ini berarti bahwa kita tidak akan pernah dapat mengamati manifestasi dari negara adidaya yang asli dan tujuh dimensi ruang yang tidak terlihat. Dengan menggunakan sarana teknis seperti superkonduktor superkolider, kita dengan cepat meningkatkan skala energi yang dapat dicapai dalam kondisi terestrial. Namun, teknologi yang diciptakan oleh manusia sama sekali tidak menghilangkan semua kemungkinan - ada alam itu sendiri. Semesta adalah laboratorium alam raksasa di mana eksperimen terbesar di bidang fisika partikel dasar "dilakukan" 18 miliar tahun yang lalu. Kami menyebut eksperimen ini Big Bang. Seperti yang akan dibahas nanti, peristiwa awal ini sudah cukup untuk melepaskan - meskipun untuk waktu yang sangat singkat - negara adidaya. Namun, ini, tampaknya, sudah cukup bagi keberadaan hantu dari negara adidaya untuk selamanya meninggalkan jejaknya. [Yakushev A. S. Konsep dasar ilmu pengetahuan alam modern. - M., Fakta-M, 2001, hlm. 165.]
Gaya lemah, atau gaya nuklir lemah, adalah salah satu dari empat gaya fundamental di alam. Ini bertanggung jawab, khususnya, untuk peluruhan beta nukleus. Interaksi ini disebut lemah, karena dua interaksi lain yang signifikan untuk fisika nuklir (kuat dan elektromagnetik) dicirikan oleh intensitas yang jauh lebih besar. Namun, itu jauh lebih kuat daripada interaksi fundamental keempat, gravitasi. Interaksi ini adalah interaksi fundamental terlemah yang diamati secara eksperimental dalam peluruhan partikel elementer, di mana efek kuantum pada dasarnya signifikan. Manifestasi kuantum interaksi gravitasi tidak pernah diamati. Interaksi lemah ditentukan menggunakan aturan berikut: jika partikel elementer yang disebut neutrino (atau antineutrino) berpartisipasi dalam proses interaksi, maka interaksi ini lemah.
Contoh khas dari interaksi lemah adalah peluruhan beta neutron
di mana n adalah neutron, p adalah proton, e- adalah elektron, e adalah antineutrino elektron.
Namun, harus diingat bahwa aturan di atas tidak berarti sama sekali bahwa setiap tindakan interaksi lemah harus disertai dengan neutrino atau antineutrino. Diketahui bahwa sejumlah besar peluruhan neutrinoles terjadi. Sebagai contoh, kita dapat mencatat proses peluruhan hiperon lambda menjadi proton p dan pion bermuatan negatif. Menurut konsep modern, neutron dan proton bukanlah partikel yang benar-benar elementer, tetapi terdiri dari partikel elementer yang disebut quark.
Intensitas interaksi lemah ditandai dengan konstanta kopling Fermi GF. Konstanta GF adalah dimensional. Untuk membentuk besaran tak berdimensi, perlu menggunakan beberapa massa standar, misalnya massa proton mp. Maka konstanta kopling tak berdimensi adalah
Dapat dilihat bahwa interaksi lemah jauh lebih intens daripada interaksi gravitasi.
Interaksi lemah, berbeda dengan interaksi gravitasi, adalah jarak pendek. Ini berarti bahwa interaksi lemah antar partikel hanya berperan jika partikel cukup dekat satu sama lain. Jika jarak antara partikel melebihi nilai tertentu, yang disebut radius karakteristik interaksi, interaksi lemah tidak muncul dengan sendirinya. Secara eksperimental telah ditetapkan bahwa jari-jari karakteristik interaksi lemah dengan orde 10-15 cm, yaitu interaksi lemah, terkonsentrasi pada jarak yang lebih kecil dari ukuran inti atom. Meskipun interaksi lemah pada dasarnya terkonsentrasi di dalam nukleus, ia memiliki manifestasi makroskopik tertentu. Selain itu, interaksi lemah memainkan peran penting dalam apa yang disebut reaksi termonuklir yang bertanggung jawab atas mekanisme pelepasan energi di bintang. Properti paling menakjubkan dari interaksi lemah adalah adanya proses di mana asimetri cermin dimanifestasikan. Sepintas, tampak jelas bahwa perbedaan antara konsep kiri dan kanan adalah arbitrer. Memang, proses interaksi gravitasi, elektromagnetik, dan kuat tidak berubah sehubungan dengan inversi spasial, yang mengimplementasikan refleksi cermin. Dikatakan bahwa dalam proses seperti itu paritas spasial P dilestarikan.Namun, telah ditetapkan secara eksperimental bahwa proses yang lemah dapat dilanjutkan dengan paritas spasial nonkonservasi dan, oleh karena itu, tampaknya merasakan perbedaan antara kiri dan kanan. Saat ini, ada bukti eksperimental yang kuat bahwa nonkonservasi paritas dalam interaksi lemah bersifat universal; ia memanifestasikan dirinya tidak hanya dalam peluruhan partikel elementer, tetapi juga dalam fenomena nuklir dan bahkan atom. Harus diakui bahwa asimetri cermin adalah properti Alam pada tingkat yang paling mendasar.
Artikel lainnya:
menyatakan
Pada tahun 1932, model proton-neutron Ivanenko-Heisenberg diusulkan. Inti dengan muatan yang sama dan massa yang berbeda disebut isotop. 75% 25% klorin alami. Inti atom yang memiliki nomor massa sama tetapi muatannya berbeda...
Komposisi kimia dan sifat fisiko-kimia DNA
DNA adalah asam kuat polibasa, garam alkali yang membentuk larutan koloid transparan yang sangat kental dalam air, memadat pada konsentrasi di atas 0,25%. Larutan DNA dicirikan oleh kekentalan (struktural) abnormal...
Proses semi-aliran dalam dua tahap
Bakteri tumbuh di fermentor pertama. Bagian dari isi dari fermentor pertama dipompa ke yang kedua, di mana fermentasi selesai. Wort segar ditambahkan ke fermentor pertama, dan isi yang kedua dituangkan sepenuhnya. Penyair...
Interaksi lemah
Interaksi yang kuat
Interaksi yang kuat adalah jarak pendek. Jari-jari aksinya sekitar 10-13 cm.
Partikel yang terlibat dalam interaksi kuat disebut hadron. Dalam zat stabil biasa pada suhu yang tidak terlalu tinggi, interaksi yang kuat tidak menyebabkan proses apa pun. Perannya adalah untuk menciptakan ikatan yang kuat antara nukleon (proton dan neutron) dalam inti. Energi ikat rata-rata sekitar 8 MeV per nukleon. Dalam hal ini, selama tumbukan inti atau nukleon dengan energi yang cukup tinggi (pada urutan ratusan MeV), interaksi yang kuat menyebabkan banyak reaksi nuklir: pembelahan inti, transformasi beberapa inti menjadi yang lain, dll.
Dimulai dengan energi tumbukan nukleon pada orde beberapa ratus MeV, interaksi yang kuat mengarah pada produksi meson-P. Pada energi yang lebih tinggi, K-meson dan hiperon lahir, dan banyak resonansi meson dan baryon (resonansi adalah keadaan tereksitasi yang berumur pendek dari hadron).
Pada saat yang sama, ternyata tidak semua partikel mengalami interaksi yang kuat. Jadi, itu dialami oleh proton dan neutron, tetapi elektron, neutrino, dan foton tidak tunduk padanya. Biasanya hanya partikel berat yang berpartisipasi dalam interaksi kuat.
Penjelasan teoretis tentang sifat interaksi yang kuat sulit untuk dikembangkan. Sebuah terobosan digariskan hanya pada awal 1960-an, ketika model quark diusulkan. Dalam teori ini, neutron dan proton tidak dianggap sebagai partikel elementer, tetapi sebagai sistem komposit yang dibangun dari quark.
Kuanta interaksi kuat adalah delapan gluon. Gluon mendapatkan nama mereka dari kata bahasa Inggris glue (lem), karena mereka bertanggung jawab atas pengurungan quark. Massa sisa gluon sama dengan nol. Pada saat yang sama, gluon memiliki muatan warna, karena itu mereka mampu berinteraksi satu sama lain, seperti yang mereka katakan, tindakan sendiri, yang menyebabkan kesulitan dalam menggambarkan interaksi yang kuat secara matematis karena nonliniernya.
Jari-jari aksinya kurang dari 10-15 cm Interaksi lemah beberapa kali lipat lebih lemah dari tidak hanya kuat, tetapi juga elektromagnetik. Pada saat yang sama, itu jauh lebih kuat daripada gravitasi di mikrokosmos.
Proses pertama yang ditemukan dan paling luas yang disebabkan oleh interaksi lemah adalah peluruhan b radioaktif dari inti.
Dihosting di ref.rf
Jenis radioaktivitas ini ditemukan pada tahun 1896 oleh A.A. Becquerel.em. Dalam proses peluruhan elektronik / b - - / radioaktif, salah satu neutron / n/ inti atom berubah menjadi proton / R/ dengan emisi elektron / e-/ dan antineutrino elektronik //:
n ® p + e-+
Dalam proses peluruhan positron /b + -/, terjadi transisi:
p® n + e++
Dalam teori peluruhan-b pertama, yang dibuat pada tahun 1934 oleh E. Fermi, untuk menjelaskan fenomena ini, perlu diperkenalkan hipotesis tentang keberadaan jenis khusus gaya jarak pendek yang menyebabkan transisi.
n ® p + e-+
Penelitian lebih lanjut menunjukkan bahwa interaksi yang diperkenalkan oleh Fermi bersifat universal.
Dihosting di ref.rf
Ini menyebabkan peluruhan semua partikel tidak stabil, yang massa dan aturan pemilihan bilangan kuantumnya tidak memungkinkan mereka meluruh karena interaksi yang kuat atau elektromagnetik. Interaksi lemah melekat pada semua partikel, kecuali foton. Waktu karakteristik dari proses interaksi lemah pada energi orde 100 MeV adalah 13-14 kali lipat lebih lama dari waktu karakteristik untuk interaksi kuat.
Kuanta interaksi lemah adalah tiga boson - W + , W , Z°- boson. Superskrip menunjukkan tanda muatan listrik kuanta ini. Kuanta interaksi lemah memiliki massa yang signifikan, yang mengarah pada fakta bahwa interaksi lemah memanifestasikan dirinya pada jarak yang sangat pendek.
Harus diperhitungkan bahwa saat ini interaksi lemah dan elektromagnetik sudah digabungkan menjadi satu teori. Ada sejumlah skema teoretis di mana upaya dibuat untuk menciptakan teori terpadu dari semua jenis interaksi. Namun, skema ini belum cukup dikembangkan untuk diuji secara eksperimental.
26. Fisika struktural. Pendekatan corpuscular untuk deskripsi dan penjelasan alam. Reduksionisme
Objek fisika struktural adalah elemen struktur materi (misalnya, molekul, atom, partikel elementer) dan pembentukannya yang lebih kompleks. Ini:
1) plasma - itu adalah gas di mana sebagian besar molekul atau atom terionisasi;
2) kristal- ini adalah padatan di mana atom atau molekul disusun secara teratur dan membentuk struktur internal yang berulang secara berkala;
3) cairan- ini adalah keadaan agregasi materi, menggabungkan fitur keadaan padat (pengawetan volume, kekuatan tarik tertentu) dan gas (variabilitas bentuk).
Cairan dicirikan oleh:
a) keteraturan jarak pendek dalam susunan partikel (molekul, atom);
b) perbedaan kecil dalam energi kinetik gerak termal dan energi potensial interaksinya.
4) bintang,.ᴇ. bola gas (plasma) bercahaya.
Saat menyoroti persamaan struktural materi, kriteria berikut digunakan:
Dimensi spasial: partikel dengan tingkat yang sama memiliki dimensi spasial dengan urutan yang sama (misalnya, semua atom memiliki dimensi dengan urutan 10 -8 cm);
Waktu proses: pada satu tingkat, ini tentang urutan yang sama;
Objek dengan tingkat yang sama terdiri dari elemen yang sama (misalnya, semua inti terdiri dari proton dan neutron);
Hukum yang menjelaskan proses di satu tingkat secara kualitatif berbeda dari hukum yang menjelaskan proses di tingkat lain;
Objek dari tingkat yang berbeda berbeda dalam sifat dasar (misalnya, semua atom bermuatan listrik netral, dan semua inti bermuatan listrik positif).
Ketika tingkat struktur dan keadaan materi baru ditemukan, area objek fisika struktural berkembang.
Harus diingat bahwa ketika memecahkan masalah fisik tertentu, masalah yang berkaitan dengan penjelasan struktur, interaksi, dan gerak saling terkait erat.
Akar dari fisika struktural adalah pendekatan sel untuk deskripsi dan penjelasan alam.
Untuk pertama kalinya, konsep atom sebagai partikel tubuh yang terakhir dan tidak dapat dibagi muncul di Yunani Kuno dalam kerangka ajaran filosofis-alam dari sekolah Leucippus-Democritus. Menurut pandangan ini, hanya ada atom di dunia yang bergerak dalam kehampaan. Para atomis kuno menganggap kesinambungan materi menjadi nyata. Berbagai kombinasi atom membentuk berbagai benda yang terlihat. Hipotesis ini tidak didasarkan pada data eksperimen. Dia hanya tebakan yang brilian. Tapi itu menentukan seluruh perkembangan lebih lanjut dari ilmu alam selama berabad-abad yang akan datang.
Hipotesis atom sebagai partikel materi yang tak terpisahkan dihidupkan kembali dalam ilmu alam, khususnya, dalam fisika dan kimia untuk menjelaskan beberapa pola yang ditetapkan secara empiris (misalnya, hukum Boyle-Mariotte dan Gay-Lussac untuk gas ideal, ekspansi termal badan, dll). d.). Memang, hukum Boyle-Mariotte menyatakan bahwa volume gas berbanding terbalik dengan tekanannya, tetapi tidak menjelaskan mengapa demikian. Demikian pula, ketika sebuah benda dipanaskan, dimensinya meningkat. Tapi apa alasan ekspansi ini? Dalam teori kinetik materi, keteraturan ini dan keteraturan lainnya yang ditetapkan oleh pengalaman dijelaskan dengan bantuan atom dan molekul.
Memang, penurunan tekanan gas yang diamati dan diukur secara langsung dengan peningkatan volumenya dalam teori kinetik materi dijelaskan sebagai peningkatan jalur bebas atom dan molekul penyusunnya. Akibatnya, volume yang ditempati oleh gas meningkat. Demikian pula, pemuaian benda ketika dipanaskan dalam teori kinetik materi dijelaskan oleh peningkatan kecepatan rata-rata molekul yang bergerak.
Penjelasan di mana sifat-sifat zat atau benda kompleks mencoba direduksi menjadi sifat-sifat elemen atau komponennya yang lebih sederhana disebut reduksionisme. Metode analisis ini memungkinkan untuk memecahkan sejumlah besar masalah dalam ilmu pengetahuan alam.
Sampai akhir abad XIX. Diyakini bahwa atom adalah partikel materi terkecil, tak terpisahkan, dan tak berstruktur. Pada saat yang sama, penemuan elektron, radioaktivitas menunjukkan bahwa ini tidak benar. Model planet atom Rutherford muncul. Kemudian digantikan oleh model N. Bora. Tetapi seperti sebelumnya, pemikiran fisikawan ditujukan untuk mereduksi seluruh ragam sifat kompleks benda dan fenomena alam menjadi sifat sederhana sejumlah kecil partikel primer. Selanjutnya, partikel ini diberi nama dasar. Sekarang jumlah totalnya melebihi 350. Karena alasan ini, kecil kemungkinan bahwa semua partikel seperti itu dapat disebut benar-benar elementer, tidak mengandung unsur lain. Keyakinan ini diperkuat sehubungan dengan hipotesis keberadaan quark. Menurutnya, partikel dasar yang diketahui terdiri dari partikel dengan muatan listrik fraksional. Mereka disebut quark.
Menurut jenis interaksi di mana partikel elementer berpartisipasi, semuanya, kecuali foton, diklasifikasikan menjadi dua kelompok:
1) hadron. Patut dikatakan bahwa mereka dicirikan oleh adanya interaksi yang kuat. Pada saat yang sama, mereka juga dapat berpartisipasi dalam interaksi lemah dan elektromagnetik;
2) lepton. hanya berpartisipasi dalam interaksi elektromagnetik dan lemah;
Menurut seumur hidup dibedakan:
a) partikel dasar yang stabil. Ini adalah elektron, foton, proton dan neutrino;
b) semi-stabil. Ini adalah partikel yang membusuk karena interaksi elektromagnetik dan lemah. Misalnya, untuk + ® m + +;
c) tidak stabil. peluruhan karena interaksi yang kuat, misalnya, neutron.
Muatan listrik partikel elementer adalah kelipatan dari muatan terkecil yang melekat pada elektron. Pada saat yang sama, partikel dasar dibagi menjadi pasangan partikel - antipartikel, misalnya, e - - e + (mereka semua memiliki karakteristik yang sama, dan tanda-tanda muatan listrik berlawanan). Partikel netral secara elektrik juga memiliki antipartikel, misalnya, P -,- .
Jadi, konsep atomistik didasarkan pada konsep struktur materi yang diskrit. Pendekatan atomistik menjelaskan sifat-sifat benda fisik berdasarkan sifat-sifat partikel terkecilnya, yang pada tahap kognisi tertentu dianggap tidak dapat dibagi. Secara historis, partikel seperti itu pertama kali dikenal sebagai atom, lalu partikel elementer, dan sekarang - quark. Kesulitan dari pendekatan ini adalah reduksi lengkap dari kompleks menjadi sederhana, yang tidak memperhitungkan perbedaan kualitatif di antara mereka.
Hingga akhir kuartal pertama abad ke-20, gagasan tentang kesatuan struktur makro dan mikrokosmos dipahami secara mekanistik, sebagai identitas hukum yang lengkap dan kesamaan lengkap struktur keduanya.
Mikropartikel ditafsirkan sebagai salinan miniatur dari tubuh makro, .ᴇ. sebagai bola yang sangat kecil (sel darah) yang bergerak di sepanjang orbit yang tepat, yang sepenuhnya analog dengan orbit planet, dengan satu-satunya perbedaan bahwa benda langit dihubungkan oleh gaya interaksi gravitasi, dan partikel mikro - oleh gaya interaksi listrik.
Setelah penemuan elektron (Thomson, 1897 .), penciptaan teori kuantum (Planck, 1900 .), pengenalan konsep foton (Einstein, 1905 .), doktrin atom memperoleh karakter baru .
Dihosting di ref.rf
Gagasan diskrit diperluas ke bidang fenomena listrik dan cahaya, hingga konsep energi (pada abad ke-19, doktrin energi berfungsi sebagai bidang representasi kuantitas kontinu dan fungsi keadaan). Ciri terpenting dari doktrin atom modern adalah atomisme tindakan. Hal ini terkait dengan fakta bahwa gerakan, properti, dan keadaan berbagai objek mikro dapat dikuantisasi, .ᴇ. dinyatakan dalam bentuk besaran-besaran dan perbandingan-perbandingan. Atomistik baru mengakui stabilitas relatif dari setiap jenis materi diskrit, kepastian kualitatifnya, ketidakterpisahannya relatif dan ireversibilitasnya dalam batas-batas tertentu dari fenomena alam. Misalnya, karena dapat dibagi dalam beberapa cara fisik, atom secara kimia tidak dapat dibagi, .ᴇ. dalam proses kimia itu berperilaku sebagai sesuatu yang utuh, tak terpisahkan. Sebuah molekul, yang secara kimia dapat dibagi menjadi atom, dalam gerakan termal (sampai batas tertentu) berperilaku secara keseluruhan, tidak dapat dibagi, dll.
Terutama penting dalam konsep atomistik baru adalah pengakuan interkonversibilitas dari setiap jenis materi diskrit.
Berbagai tingkat organisasi struktural realitas fisik (quark, mikropartikel, nukleus, atom, molekul, makrobodi, megasistem) memiliki hukum fisika spesifiknya sendiri. Tetapi tidak peduli bagaimana fenomena yang dipelajari berbeda dari fenomena yang dipelajari oleh fisika klasik, semua data eksperimen harus dijelaskan menggunakan konsep klasik. Ada perbedaan mendasar antara deskripsi perilaku objek mikro yang diteliti dan deskripsi pengoperasian alat ukur. Ini adalah hasil dari kenyataan bahwa pengoperasian alat ukur, pada prinsipnya, harus dijelaskan dalam bahasa fisika klasik, sedangkan objek yang diteliti mungkin tidak dijelaskan dalam bahasa ini.
Pendekatan corpuscular dalam menjelaskan fenomena dan proses fisika selalu dipadukan dengan pendekatan kontinum sejak munculnya fisika interaksi. Hal itu terungkap dalam konsep lapangan dan pengungkapan perannya dalam interaksi fisik. Representasi medan sebagai aliran jenis partikel tertentu (teori medan kuantum) dan atribusi sifat gelombang ke objek fisik apa pun (hipotesis Louis de Broglie) menggabungkan kedua pendekatan ini untuk analisis fenomena fisik.
Interaksi lemah - konsep dan tipe. Klasifikasi dan fitur kategori "Interaksi lemah" 2017, 2018.
Interaksi lemah Untuk mengungkap adanya interaksi lemah, fisika berkembang perlahan. Gaya lemah bertanggung jawab atas peluruhan partikel; dan karena itu manifestasinya dihadapkan pada penemuan radioaktivitas dan studi peluruhan beta.
Peluruhan beta menunjukkan fitur yang sangat aneh. Studi mengarah pada kesimpulan bahwa peluruhan ini tampaknya melanggar salah satu hukum dasar fisika - hukum kekekalan energi. Tampaknya bagian dari energi itu menghilang entah kemana. Untuk "menyelamatkan" hukum kekekalan energi, V. Pauli menyarankan bahwa selama peluruhan beta, bersama dengan elektron, partikel lain terbang keluar, membawa serta energi yang hilang. Ini netral dan memiliki daya tembus yang luar biasa tinggi, sehingga tidak dapat diamati. E. Fermi menyebut partikel tak kasat mata "neutrino".
Tetapi prediksi neutrino hanyalah awal dari masalah, perumusannya. Itu perlu untuk menjelaskan sifat neutrino, tetapi tetap ada banyak misteri. Faktanya adalah bahwa elektron dan neutrino dipancarkan oleh inti yang tidak stabil. Tetapi telah terbukti tak terbantahkan bahwa tidak ada partikel seperti itu di dalam inti. Telah dikemukakan bahwa elektron dan neutrino tidak ada dalam nukleus dalam “bentuk yang sudah jadi”, tetapi entah bagaimana terbentuk dari energi nukleus radioaktif. Studi lebih lanjut menunjukkan bahwa neutron yang membentuk nukleus, dibiarkan sendiri, setelah beberapa menit meluruh menjadi proton, elektron, dan neutrino, yaitu. bukannya satu partikel, tiga yang baru muncul. Analisis mengarah pada kesimpulan bahwa kekuatan yang diketahui tidak dapat menyebabkan disintegrasi seperti itu. Dia, tampaknya, dihasilkan oleh kekuatan lain yang tidak diketahui. Penelitian telah menunjukkan bahwa gaya ini berhubungan dengan beberapa interaksi yang lemah.
Interaksi yang lemah jauh lebih kecil dari semua
interaksi selain gravitasi, dan dalam sistem di mana ia hadir, efeknya dibayangi oleh interaksi elektromagnetik dan kuat. Selain itu, gaya lemah merambat pada jarak yang sangat kecil. Jari-jari interaksi yang lemah sangat kecil. Interaksi lemah berhenti pada jarak yang lebih besar dari 10-16 cm dari sumbernya, dan oleh karena itu tidak dapat mempengaruhi objek makroskopik, tetapi terbatas pada mikrokosmos, partikel subatom. Ketika penemuan mirip longsoran dari banyak partikel subnuklear yang tidak stabil dimulai, ditemukan bahwa sebagian besar dari mereka berpartisipasi dalam interaksi yang lemah.
Interaksi yang kuat. Terakhir Di antara interaksi mendasar adalah interaksi kuat, yang merupakan sumber energi yang sangat besar. Contoh paling khas dari energi yang dilepaskan oleh gaya kuat adalah Matahari. Di kedalaman Matahari dan bintang-bintang, reaksi termonuklir terus berlangsung, yang disebabkan oleh interaksi yang kuat. Tetapi manusia juga telah belajar untuk melepaskan interaksi yang kuat: bom hidrogen telah dibuat, teknologi untuk reaksi termonuklir terkendali telah dirancang dan sedang ditingkatkan.
Fisika sampai pada gagasan adanya interaksi yang kuat selama mempelajari struktur inti atom. Beberapa gaya harus menahan proton bermuatan positif di dalam nukleus, mencegah mereka terbang terpisah di bawah aksi tolakan elektrostatik. Gravitasi terlalu lemah untuk menyediakan ini; Jelas, beberapa jenis interaksi diperlukan, apalagi, lebih kuat dari elektromagnetik. Hal itu kemudian ditemukan. Ternyata meskipun interaksi kuat secara signifikan melebihi semua interaksi mendasar lainnya dalam besarnya, itu tidak terasa di luar nukleus. Seperti dalam kasus interaksi lemah, jari-jari aksi gaya baru ternyata sangat kecil: interaksi kuat memanifestasikan dirinya pada jarak yang ditentukan oleh ukuran inti, mis. sekitar 10-13 cm. Selain itu, ternyata tidak semua partikel mengalami interaksi yang kuat. Jadi, itu dialami oleh proton dan neutron, tetapi elektron, neutrino, dan foton tidak tunduk padanya. Biasanya hanya partikel berat yang berpartisipasi dalam interaksi kuat. Ini bertanggung jawab untuk pembentukan inti dan banyak interaksi partikel elementer.
Penjelasan teoretis tentang sifat interaksi yang kuat sulit untuk dikembangkan. Sebuah terobosan digariskan hanya pada awal 1960-an, ketika model quark diusulkan. Dalam teori ini, neutron dan proton tidak dianggap sebagai partikel elementer, tetapi sebagai sistem komposit yang dibangun dari quark.
Interaksi gravitasi ada di antara semua partikel elementer dan menyebabkan tarikan gravitasi semua benda satu sama lain pada jarak berapa pun (lihat hukum gravitasi universal); itu sangat kecil dalam proses fisik dalam mikrokosmos, tetapi memainkan peran utama, misalnya, dalam kosmogoni. Interaksi lemah memanifestasikan dirinya hanya pada jarak sekitar 10-18 m dan menyebabkan proses peluruhan (misalnya, peluruhan beta dari beberapa partikel elementer dan
inti). Interaksi elektromagnetik ada pada setiap jarak antara partikel elementer yang memiliki muatan listrik atau momen magnetik; khususnya, ia menentukan hubungan elektron dan inti atom, dan juga bertanggung jawab atas semua jenis radiasi elektromagnetik. Interaksi yang kuat memanifestasikan dirinya pada jarak sekitar 10-15 m dan menentukan keberadaan inti atom.
Interaksi lemah
Interaksi ini adalah interaksi fundamental terlemah yang diamati secara eksperimental dalam peluruhan partikel elementer, di mana efek kuantum pada dasarnya signifikan. Ingatlah bahwa manifestasi kuantum dari interaksi gravitasi tidak pernah diamati. Interaksi lemah ditentukan menggunakan aturan berikut: jika partikel elementer yang disebut neutrino (atau antineutrino) berpartisipasi dalam proses interaksi, maka interaksi ini lemah.
Interaksi lemah jauh lebih intens daripada interaksi gravitasi.
Interaksi lemah, berbeda dengan interaksi gravitasi, adalah jarak pendek. Ini berarti bahwa interaksi lemah antar partikel hanya berperan jika partikel cukup dekat satu sama lain. Jika jarak antara partikel melebihi nilai tertentu, yang disebut radius karakteristik interaksi, interaksi lemah tidak muncul dengan sendirinya. Secara eksperimental telah ditetapkan bahwa jari-jari karakteristik interaksi lemah dengan orde 10-15 cm, yaitu interaksi lemah, terkonsentrasi pada jarak yang lebih kecil dari ukuran inti atom.
Mengapa kita dapat membicarakan interaksi lemah sebagai bentuk independen dari interaksi fundamental? Jawabannya sederhana. Telah ditetapkan bahwa ada proses transformasi partikel elementer yang tidak dapat direduksi menjadi interaksi gravitasi, elektromagnetik, dan kuat. Sebuah contoh yang baik menunjukkan bahwa ada tiga interaksi kualitatif yang berbeda dalam fenomena nuklir terkait dengan radioaktivitas. Eksperimen menunjukkan adanya tiga jenis radioaktivitas yang berbeda: peluruhan radioaktif a-, b dan g. Dalam hal ini, peluruhan-a disebabkan oleh interaksi yang kuat, peluruhan-g - elektromagnetik. Peluruhan-b yang tersisa tidak dapat dijelaskan oleh interaksi elektromagnetik dan kuat, dan kita terpaksa menerima bahwa ada interaksi fundamental lain yang disebut interaksi lemah. Dalam kasus umum, kebutuhan untuk memperkenalkan interaksi lemah adalah karena fakta bahwa proses terjadi di alam di mana peluruhan elektromagnetik dan kuat dilarang oleh hukum kekekalan.
Meskipun interaksi lemah pada dasarnya terkonsentrasi di dalam nukleus, ia memiliki manifestasi makroskopik tertentu. Seperti yang telah kami catat, ini terkait dengan proses b-radioaktivitas. Selain itu, interaksi lemah memainkan peran penting dalam apa yang disebut reaksi termonuklir yang bertanggung jawab atas mekanisme pelepasan energi di bintang.
Properti paling menakjubkan dari interaksi lemah adalah adanya proses di mana asimetri cermin dimanifestasikan. Sepintas, tampak jelas bahwa perbedaan antara konsep kiri dan kanan adalah arbitrer. Memang, proses interaksi gravitasi, elektromagnetik, dan kuat tidak berubah sehubungan dengan inversi spasial, yang mengimplementasikan refleksi cermin. Dikatakan bahwa dalam proses seperti itu paritas spasial P dilestarikan.Namun, telah ditetapkan secara eksperimental bahwa proses yang lemah dapat dilanjutkan dengan paritas spasial nonkonservasi dan, oleh karena itu, tampaknya merasakan perbedaan antara kiri dan kanan. Saat ini, ada bukti eksperimental yang kuat bahwa nonkonservasi paritas dalam interaksi lemah bersifat universal; ia memanifestasikan dirinya tidak hanya dalam peluruhan partikel elementer, tetapi juga dalam fenomena nuklir dan bahkan atom. Harus diakui bahwa asimetri cermin adalah properti Alam pada tingkat yang paling mendasar.
Semua benda bermuatan, semua partikel elementer bermuatan berpartisipasi dalam interaksi elektromagnetik. Dalam pengertian ini, ini cukup universal. Teori klasik interaksi elektromagnetik adalah elektrodinamika Maxwellian. Muatan elektron e diambil sebagai konstanta kopling.
Jika kita mempertimbangkan dua muatan titik istirahat q1 dan q2, maka interaksi elektromagnetik mereka akan berkurang menjadi gaya elektrostatik yang diketahui. Ini berarti bahwa interaksinya adalah jarak jauh dan perlahan-lahan berkurang dengan meningkatnya jarak antara muatan. Sebuah partikel bermuatan memancarkan foton, dimana keadaan geraknya berubah. Partikel lain menyerap foton ini dan juga mengubah keadaan geraknya. Akibatnya, partikel-partikel tersebut seolah merasakan kehadiran satu sama lain. Telah diketahui bahwa muatan listrik merupakan besaran dimensional. Lebih mudah untuk memperkenalkan konstanta kopling tak berdimensi dari interaksi elektromagnetik. Untuk melakukan ini, kita perlu menggunakan konstanta fundamental dan c. Akibatnya, kita sampai pada konstanta kopling tak berdimensi berikut, yang disebut konstanta struktur halus dalam fisika atom
Sangat mudah untuk melihat bahwa konstanta ini secara signifikan melebihi konstanta interaksi gravitasi dan lemah.
Dari sudut pandang modern, interaksi elektromagnetik dan interaksi lemah adalah aspek yang berbeda dari interaksi elektrolemah tunggal. Sebuah teori terpadu interaksi elektrolemah telah dibuat - teori Weinberg-Salam-Glashow, yang menjelaskan dari posisi terpadu semua aspek interaksi elektromagnetik dan lemah. Apakah mungkin untuk memahami pada tingkat kualitatif bagaimana interaksi terpadu dibagi menjadi interaksi yang terpisah, seolah-olah, independen?
Selama energi karakteristik cukup kecil, interaksi elektromagnetik dan interaksi lemah dipisahkan dan tidak saling mempengaruhi. Ketika energi meningkat, pengaruh timbal balik mereka dimulai, dan pada energi yang cukup tinggi, interaksi ini bergabung menjadi interaksi elektro-lemah tunggal. Energi unifikasi karakteristik diperkirakan dalam urutan besarnya sebagai 102 GeV (GeV adalah singkatan dari gigaelektronvolt, 1 GeV = 109 eV, 1 eV = 1,6 10-12 erg = 1,6 1019 J). Sebagai perbandingan, kami mencatat bahwa energi karakteristik elektron dalam keadaan dasar atom hidrogen adalah sekitar 10-8 GeV, energi ikat karakteristik inti atom adalah sekitar 10-2 GeV, energi ikat karakteristik padatan adalah sekitar 10-10 GeV. Dengan demikian, energi karakteristik penyatuan interaksi elektromagnetik dan interaksi lemah sangat besar dibandingkan dengan energi karakteristik dalam fisika atom dan nuklir. Karena alasan ini, interaksi elektromagnetik dan interaksi lemah tidak memanifestasikan esensi umum mereka dalam fenomena fisik biasa.
Interaksi yang kuat
Gaya kuat bertanggung jawab atas stabilitas inti atom. Karena inti atom dari sebagian besar unsur kimia stabil, jelas bahwa interaksi yang menjaga mereka dari peluruhan harus cukup kuat. Diketahui bahwa inti terdiri dari proton dan neutron. Agar proton bermuatan positif tidak menyebar ke arah yang berbeda, perlu ada gaya tarik menarik di antara mereka yang melebihi gaya tolakan elektrostatik. Ini adalah interaksi yang kuat yang bertanggung jawab untuk kekuatan yang menarik ini.
Ciri khas interaksi yang kuat adalah kemandirian muatannya. Gaya tarik inti antara proton, antara neutron, dan antara proton dan neutron pada dasarnya sama. Dari sini dapat disimpulkan bahwa dari sudut pandang interaksi kuat, proton dan neutron tidak dapat dibedakan dan istilah tunggal nukleon digunakan untuk mereka, yaitu partikel nukleus.
Jadi, kami telah membuat ulasan tentang informasi dasar tentang empat interaksi mendasar Alam. Manifestasi mikroskopis dan makroskopik dari interaksi ini dan gambaran fenomena fisik di mana mereka memainkan peran penting dijelaskan secara singkat.
