Toto je tretia základná interakcia, ktorá existuje iba v mikrokozme. Je zodpovedný za premenu niektorých fermiónových častíc na iné, pričom farba slabo interagujúcich peptónov a kvarkov sa nemení. Typickým príkladom slabej interakcie je proces beta rozpadu, počas ktorého sa voľný neutrón rozpadne na protón, elektrón a elektrónové antineutríno v priemere za 15 minút. Rozpad je spôsobený premenou aromatického kvarku d na aromatický kvark u vo vnútri neutrónu. Emitovaný elektrón zabezpečuje zachovanie celkového elektrického náboja a antineutríno umožňuje zachovanie celkovej mechanickej hybnosti systému.
Silná interakcia
Hlavnou funkciou silnej sily je spájať kvarky a antikvarky do hadrónov. Teória silných interakcií je v procese tvorby. Je to typická teória poľa a nazýva sa kvantová chromodynamika. Jeho východiskovou pozíciou je postulát existencie troch typov farebných nábojov (červený, modrý, zelený), vyjadrujúcich schopnosť hmoty inherentnú spájať kvarky v silnej interakcii. Každý z kvarkov obsahuje nejakú kombináciu takýchto nábojov, ale nedochádza k ich úplnej vzájomnej kompenzácii a kvark má výslednú farbu, čiže si zachováva schopnosť silnej interakcie s inými kvarkami. Ale keď sa tri kvarky alebo kvark a antikvark spoja a vytvoria hadrón, celková kombinácia farebných nábojov v ňom je taká, že hadrón ako celok je farebne neutrálny. Farebné náboje vytvárajú polia so svojimi vlastnými kvantami - bozónmi. Výmena virtuálnych farebných bozónov medzi kvarkami a (alebo) antikvarkmi slúži ako materiálny základ pre silnú interakciu. Pred objavením kvarkov a farebnej interakcie sa jadrová interakcia považovala za základnú, spájajúcu protóny a neutróny v jadrách atómov. S objavom kvarkovej úrovne hmoty sa silná interakcia začala chápať ako farebné interakcie medzi kvarkami, ktoré sa spájajú do hadrónov. Jadrové sily sa už nepovažujú za základné, musia byť nejako vyjadrené farebnými silami. Nie je to však ľahké, pretože baryóny (protóny a neutróny), ktoré tvoria jadro, sú vo všeobecnosti farebne neutrálne. Analogicky môžeme pripomenúť, že atómy ako celok sú elektricky neutrálne, ale na molekulárnej úrovni sa objavujú chemické sily, ktoré sa považujú za ozveny elektrických atómových síl.
Uvažované štyri typy základných interakcií sú základom všetkých ostatných známych foriem pohybu hmoty, vrátane tých, ktoré vznikli v najvyšších štádiách vývoja. Akékoľvek zložité formy pohybu, keď sa rozložia na štrukturálne zložky, možno nájsť ako komplexné modifikácie týchto základných interakcií.
2. Vývoj vedeckých názorov na interakciu častíc pred evolučným vytvorením teórie „veľkého zjednotenia“
Veľká zjednotená teória je teória, ktorá kombinuje elektromagnetické, silné a slabé interakcie. Pri zmienke o teórii „Veľkého zjednotenia“ dochádza k faktu, že všetky sily, ktoré existujú v prírode, sú prejavom jednej univerzálnej základnej sily. Existuje množstvo úvah, ktoré dávajú dôvod domnievať sa, že v momente Veľkého tresku, ktorý zrodil náš vesmír, existovala iba táto sila. Postupom času sa však vesmír rozšíril, čo znamená, že sa ochladil a jediná sila sa rozdelila na niekoľko rôznych, čo teraz pozorujeme. Teória „Veľkého zjednotenia“ by mala popisovať elektromagnetické, silné, slabé a gravitačné sily ako prejav jednej univerzálnej sily. Určitý pokrok už nastal: vedcom sa podarilo vybudovať teóriu, ktorá kombinuje elektromagnetické a slabé interakcie. Hlavná práca na teórii „Veľkého zjednotenia“ je však ešte pred nami.
Moderná časticová fyzika je nútená diskutovať o problémoch, ktoré v skutočnosti znepokojovali aj starovekých mysliteľov. Aký je pôvod častíc a chemických atómov vytvorených z týchto častíc? A ako môže byť vesmír, vesmír, ktorý vidíme, postavený z častíc, bez ohľadu na to, ako ich nazývame? A ešte jedna vec – vznikol Vesmír, alebo existuje od večnosti? Ak je toto správna otázka, aké sú spôsoby myslenia, ktoré môžu viesť k presvedčivým odpovediam? Všetky tieto otázky sú podobné hľadaniu skutočných princípov bytia, otázkam o povahe týchto princípov.
Čokoľvek hovoríme o vesmíre, jedna vec je jasná, že všetko v prírodnom svete sa nejakým spôsobom skladá z častíc. Ako však treba chápať toto zloženie? Je známe, že častice interagujú - navzájom sa priťahujú alebo odpudzujú. Časticová fyzika študuje rôzne interakcie. [Popper K. O prameňoch poznania a nevedomosti // Vopr. dejiny prírodných vied a techniky, 1992, č.3, s. 32.]
Elektromagnetická interakcia priťahovala zvláštnu pozornosť v 18.–19. storočí. Zistili sa podobnosti a rozdiely medzi elektromagnetickými a gravitačnými interakciami. Podobne ako gravitácia, aj elektromagnetické interakčné sily sú nepriamo úmerné druhej mocnine vzdialenosti. Ale na rozdiel od gravitácie, elektromagnetická „gravitácia“ častice (rôzne v znamienku náboja) nielen priťahuje, ale aj od seba odpudzuje (rovnako nabité častice). A nie všetky častice sú nositeľmi elektrického náboja. Napríklad fotón a neutrón sú v tomto smere neutrálne. V 50-tych rokoch XIX storočia. elektromagnetická teória D. C. Maxwella (1831–1879) zjednotila elektrické a magnetické javy a tým objasnila pôsobenie elektromagnetických síl. [Grunbaum A. Pôvod verzus stvorenie vo fyzikálnej kozmológii (teologické skreslenia modernej fyzikálnej kozmológie). - Q. filozofia, 1995, č.2, s. devätnásť.]
Štúdium javov rádioaktivity viedlo k objavu špeciálneho druhu interakcie medzi časticami, ktorý sa nazýval slabá interakcia. Keďže tento objav súvisí so štúdiom beta rádioaktivity, dalo by sa túto interakciu nazvať beta rozpad. Vo fyzikálnej literatúre je však zvykom hovoriť o slabej interakcii - je slabšia ako elektromagnetická, hoci je oveľa silnejšia ako gravitačná. K objavu prispel výskum W. Pauliho (1900–1958), ktorý predpovedal, že pri beta rozpade vzniká neutrálna častica, ktorá kompenzuje zjavné porušenie zákona zachovania energie, nazývaná neutríno. A okrem toho k objavu slabých interakcií prispeli štúdie E. Fermiho (1901 – 1954), ktorý spolu s ďalšími fyzikmi navrhol, že elektróny a neutrína v jadre neexistujú takpovediac v hotovej forme pred opúšťajú rádioaktívne jadro, ale vznikajú pri procese ožarovania. [Grunbaum A. Pôvod verzus stvorenie vo fyzikálnej kozmológii (teologické skreslenia modernej fyzikálnej kozmológie). - Q. filozofia, 1995, č.2, s. 21.]
Nakoniec sa ukázalo, že štvrtá interakcia súvisí s intranukleárnymi procesmi. Nazýva sa to silná interakcia a prejavuje sa ako príťažlivosť vnútrojadrových častíc - protónov a neutrónov. Vďaka svojej veľkej veľkosti sa ukazuje ako zdroj obrovskej energie.
Štúdium štyroch typov interakcií sledovalo cestu hľadania ich hlbokého spojenia. Na tejto nejasnej, v mnohých ohľadoch nejasnej ceste viedol skúmanie iba princíp symetrie a viedol k identifikácii údajného vzťahu rôznych typov interakcií.
Na odhalenie takýchto súvislostí bolo potrebné obrátiť sa na hľadanie špeciálneho typu symetrie. Jednoduchým príkladom tohto typu symetrie je závislosť vykonanej práce pri zdvíhaní bremena od výšky zdvihu. Vynaložená energia závisí od výškového rozdielu, ale nezávisí od charakteru výstupovej cesty. Podstatný je len výškový rozdiel a vôbec nezáleží na tom, z akej úrovne s meraním začíname. Dá sa povedať, že tu máme do činenia so symetriou vzhľadom na výber referenčného bodu.
Podobne môžete vypočítať energiu pohybu elektrického náboja v elektrickom poli. Analógom výšky je tu napätie poľa alebo inak elektrický potenciál. Energia vynaložená pri pohybe náboja bude závisieť len od potenciálneho rozdielu medzi koncovým a počiatočným bodom v priestore poľa. Máme tu do činenia s takzvaným meradlom alebo inými slovami mierkovou symetriou. Meracia symetria súvisiaca s elektrickým poľom úzko súvisí so zákonom zachovania elektrického náboja.
Meracia symetria sa ukázala ako najdôležitejší nástroj, ktorý dáva možnosť riešiť mnohé ťažkosti v teórii elementárnych častíc a pri početných pokusoch o zjednotenie rôznych typov interakcií. Napríklad v kvantovej elektrodynamike vznikajú rôzne divergencie. Tieto odchýlky možno eliminovať, pretože takzvaný renormalizačný postup, ktorý odstraňuje ťažkosti teórie, úzko súvisí so symetriou meradiel. Zdá sa, že ťažkosti pri budovaní teórie nielen elektromagnetických, ale aj iných interakcií možno prekonať, ak je možné nájsť iné, skryté symetrie.
Meracia symetria môže nadobudnúť všeobecný charakter a môže súvisieť s akýmkoľvek silovým poľom. Koncom 60. rokov 20. storočia S. Weinberg (nar. 1933) z Harvardskej univerzity a A. Salam (nar. 1926) z Imperial College London, opierajúc sa o prácu S. Glashowa (nar. 1932), podnikli teoretické zjednotenie elektromagnetickej a slabej interakcie. Použili myšlienku meracej symetrie a koncept meracieho poľa súvisiaceho s touto myšlienkou. [Jakushev A. S. Základné pojmy modernej prírodnej vedy. - M., Fact-M, 2001, s. 29.]
Pre elektromagnetickú interakciu je použiteľná najjednoduchšia forma meracej symetrie. Ukázalo sa, že symetria slabej interakcie je komplikovanejšia ako symetria elektromagnetickej. Táto zložitosť je spôsobená zložitosťou samotného procesu, takpovediac mechanizmom slabej interakcie.
V procese slabej interakcie dochádza napríklad k rozpadu neutrónu. Na tomto procese sa môžu zúčastniť častice ako neutrón, protón, elektrón a neutríno. Navyše v dôsledku slabej interakcie dochádza k vzájomnej premene častíc.
Koncepčné ustanovenia teórie „veľkého zjednotenia“
V modernej teoretickej fyzike udávajú tón dve nové koncepčné schémy: takzvaná „Grand Unified“ teória a supersymetria.
Tieto vedecké smery spolu vedú k veľmi príťažlivej myšlienke, podľa ktorej celá príroda v konečnom dôsledku podlieha pôsobeniu akejsi superveľmoci, čo sa prejavuje v rôznych „osobách“. Táto sila je dostatočne silná na to, aby vytvorila náš vesmír a obdarila ho svetlom, energiou, hmotou a štruktúrou. Ale superschopnosť je viac ako len tvorivý princíp. V ňom sa hmota, časopriestor a interakcia spájajú do neoddeliteľného harmonického celku, ktorý vytvára takú jednotu Vesmíru, akú si predtým nikto nepredstavoval. Účelom vedy je v podstate hľadať takúto jednotu. [Ovchinnikov N. F. Štruktúra a symetria // System Research, M., 1969, s. 137.]
Na základe toho existuje určitá dôvera v zjednotenie všetkých javov živej a neživej prírody v rámci jednotnej popisnej schémy. Dodnes sú známe štyri základné interakcie alebo štyri sily v prírode, zodpovedné za všetky známe interakcie elementárnych častíc – silné, slabé, elektromagnetické a gravitačné interakcie. Silné interakcie spájajú kvarky. Slabé interakcie sú zodpovedné za niektoré typy jadrových rozpadov. Medzi elektrickými nábojmi pôsobia elektromagnetické sily a medzi hmotami pôsobia gravitačné sily. Prítomnosť týchto interakcií je dostatočnou a nevyhnutnou podmienkou pre konštrukciu sveta okolo nás. Napríklad bez gravitácie by nielenže neexistovali galaxie, hviezdy a planéty, ale ani vesmír by nemohol vzniknúť – veď aj samotné koncepty rozpínajúceho sa vesmíru a veľkého tresku, z ktorých pochádza časopriestor, vychádzajú na gravitáciu. Bez elektromagnetických interakcií by neexistovali žiadne atómy, žiadna chémia ani biológia, ani slnečné teplo a svetlo. Bez silných jadrových interakcií by jadrá neexistovali, a preto by atómy a molekuly, chémia a biológia, hviezdy a Slnko nemohli vytvárať teplo a svetlo vďaka jadrovej energii.
Dokonca aj slabé jadrové sily zohrávajú úlohu pri formovaní vesmíru. Bez nich by boli jadrové reakcie na Slnku a hviezdach nemožné, očividne by nenastali výbuchy supernov a vo vesmíre by sa nemohli šíriť ťažké prvky potrebné pre život. Život možno ani neexistuje. Ak súhlasíme s názorom, že všetky tieto štyri úplne odlišné interakcie, z ktorých každá je svojim spôsobom nevyhnutná pre vznik zložitých štruktúr a určujúci vývoj celého Vesmíru, sú generované jedinou jednoduchou supersilou, potom existencia tzv. jediný základný zákon, ktorý funguje v živej aj neživej prírode, je nepochybný. Moderný výskum ukazuje, že naraz sa tieto štyri sily mohli spojiť do jednej.
Bolo to možné pri obrovských energiách charakteristických pre éru raného vesmíru krátko po Veľkom tresku. Teória zjednotenia elektromagnetických a slabých interakcií už bola potvrdená experimentálne. Teórie „Veľkého zjednotenia“ by mali kombinovať tieto interakcie so silnými a teórie „Všetko čo je“ by mali popisovať všetky štyri základné interakcie jednotným spôsobom ako prejavy jednej interakcie. Tepelná história vesmíru od 10 do 43 sekúnd. po Veľkom tresku po súčasnosť ukazuje, že väčšina hélia-4, hélia-3, deuterónov (jadier deutéria - ťažkého izotopu vodíka) a lítia-7 vznikla vo vesmíre približne 1 minútu po veľkom tresku. .
Ťažšie prvky sa objavili vo vnútri hviezd o desiatky miliónov či miliárd rokov neskôr a vznik života zodpovedá záverečnej fáze vyvíjajúceho sa vesmíru. Na základe vykonanej teoretickej analýzy a výsledkov počítačovej simulácie disipatívnych systémov pracujúcich ďaleko od rovnováhy, v podmienkach pôsobenia kódovo frekvenčného nízkoenergetického toku, sme dospeli k záveru, že vo vesmíre existujú dva paralelné procesy - entropia. a informácie. Navyše, entropický proces premeny hmoty na žiarenie nie je dominantný. [Soldatov VK Teória „veľkého zjednotenia“. - M., Postscriptum, 2000, s. 38.]
Za týchto podmienok vzniká nový typ evolučnej samoorganizácie hmoty, ktorý spája koherentné časopriestorové správanie systému s dynamickými procesmi v samotnom systéme. Potom bude v mierke Vesmíru tento zákon formulovaný takto: „Ak Veľký tresk viedol k vytvoreniu 4 základných interakcií, tak ďalší vývoj časopriestorovej organizácie Vesmíru je spojený s ich zjednotením. " Zákon nárastu entropie teda podľa nášho názoru treba aplikovať nie na jednotlivé časti vesmíru, ale na celý proces jeho vývoja. V okamihu svojho vzniku sa vesmír ukázal ako kvantovaný podľa časopriestorových úrovní hierarchie, z ktorých každá zodpovedá jednej zo základných interakcií. Výsledné kolísanie, vnímané ako rozširujúci sa obraz Vesmíru, v určitom momente pristúpi k obnoveniu jeho rovnováhy. Proces ďalšej evolúcie prebieha v zrkadlovom obraze.
Inými slovami, v pozorovateľnom vesmíre prebiehajú súčasne dva procesy. Jeden proces - anti-entropia - je spojený s obnovením narušenej rovnováhy samoorganizáciou hmoty a žiarenia do makrokvantových stavov (ako fyzikálny príklad možno uviesť také známe stavy hmoty ako supratekutosť, supravodivosť a kvantový Hallov efekt). Tento proces zjavne určuje konzistentný vývoj procesov termonukleárnej fúzie vo hviezdach, tvorbu planetárnych systémov, minerálov, flóry, jednobunkových a mnohobunkových organizmov. Z toho automaticky vyplýva samoorganizujúca sa orientácia tretieho princípu progresívnej evolúcie živých organizmov.
Ďalší proces má čisto entropický charakter a popisuje procesy cyklického evolučného prechodu samoorganizujúcej sa hmoty (rozpad – samoorganizácia). Je možné, že tieto princípy môžu slúžiť ako základ pre vytvorenie matematického aparátu, ktorý vám umožní spojiť všetky štyri interakcie do jednej superveľmoci. Ako už bolo uvedené, je to práve tento problém, ktorým sa v súčasnosti zaoberá väčšina teoretických fyzikov. Ďalšia argumentácia tohto princípu ďaleko presahuje rámec tohto článku a súvisí s konštrukciou teórie evolučnej samoorganizácie vesmíru. Urobme preto hlavný záver a pozrime sa, ako je aplikovateľný na biologické systémy, princípy ich kontroly, a čo je najdôležitejšie, na nové technológie na liečbu a prevenciu patologických stavov tela. V prvom rade nás budú zaujímať princípy a mechanizmy udržiavania sebaorganizácie a vývoja živých organizmov, ako aj príčiny ich porušovania, ktoré sa prejavuje vo forme rôznych patológií.
Prvým z nich je princíp kódovo-frekvenčného riadenia, ktorého hlavným účelom je udržiavať, synchronizovať a riadiť energetické toky v rámci akéhokoľvek otvoreného samoorganizujúceho sa disipatívneho systému. Implementácia tohto princípu pre živé organizmy si vyžaduje prítomnosť na každej štruktúrnej hierarchickej úrovni biologického objektu (molekulárneho, subcelulárneho, bunkového, tkanivového, organoidného, organizmického, populačného, biocenotického, biotického, krajinného, biosférického, kozmického) prítomnosť biorytmologického objektu. proces spojený so spotrebou a spotrebou transformovateľnej energie, ktorý určuje činnosť a postupnosť procesov v rámci systému. Tento mechanizmus zaujíma ústredné miesto v raných štádiách vzniku života pri tvorbe štruktúry DNA a princípe reduplikácie diskrétnych kódov dedičnej informácie, ako aj v procesoch, ako je delenie buniek a následná diferenciácia. Ako viete, proces bunkového delenia sa vždy vyskytuje v prísnom poradí: profáza, metafáza, telofáza a potom anafáza. Môžete porušiť podmienky delenia, zabrániť tomu, dokonca odstrániť jadro, ale postupnosť zostane vždy zachovaná. Naše telo je bezpochyby vybavené tými najdokonalejšími synchronizátormi: nervovým systémom citlivým na najmenšie zmeny vonkajšieho a vnútorného prostredia, pomalším humorálnym systémom. Zároveň infusoria-topánka pri úplnej absencii nervového a humorálneho systému žije, živí sa, vylučuje, množí sa a všetky tieto zložité procesy neprebiehajú náhodne, ale v prísnom poradí: akákoľvek reakcia predurčuje ďalšiu, a to zase prideľuje produkty potrebné na spustenie ďalšej reakcie. [Soldatov VK Teória „veľkého zjednotenia“. - M., Postscriptum, 2000, s. 59.]
Treba poznamenať, že aj Einsteinova teória znamenala taký dôležitý pokrok v chápaní prírody, že sa čoskoro stala nevyhnutná aj revízia názorov na iné prírodné sily. V tomto čase bola jedinou „inou“ silou, ktorej existencia bola pevne stanovená, elektromagnetická sila. Navonok to však na gravitáciu vôbec nevyzeralo. Navyše, niekoľko desaťročí pred vytvorením Einsteinovej teórie gravitácie Maxwellova teória úspešne opísala elektromagnetizmus a nebol dôvod pochybovať o platnosti tejto teórie.
Einstein počas svojho života sníval o vytvorení zjednotenej teórie poľa, v ktorej by sa všetky sily prírody spojili na základe čistej geometrie. Einstein zasvätil väčšinu svojho života hľadaniu takejto schémy po vytvorení všeobecnej teórie relativity. Najbližšie k realizácii Einsteinovho sna sa však paradoxne dostal málo známy poľský fyzik Theodor Kaluza, ktorý už v roku 1921 položil základy pre nový a nečakaný prístup k zjednocovaniu fyziky, ktorý stále omieľa predstavivosť svojou drzosťou. .
S objavom slabých a silných interakcií v tridsiatych rokoch minulého storočia myšlienky zjednocovania gravitácie a elektromagnetizmu do značnej miery stratili na príťažlivosti. Dôsledná jednotná teória poľa mala zahŕňať nie dve, ale štyri sily. Je zrejmé, že to nebolo možné dosiahnuť bez dosiahnutia hlbokého pochopenia slabých a silných interakcií. Koncom 70. rokov sa vďaka čerstvému vánku, ktorý priniesli Grand Unified Theories (GUT) a supergravitácia, spomenula na starú Kaluza-Kleinovu teóriu. Bola „oprášená, módne oblečená“ a zahrnula do nej všetky dnes známe interakcie.
V GUT sa teoretikom podarilo zhromaždiť tri veľmi odlišné typy interakcií v rámci jedného konceptu; je to spôsobené tým, že všetky tri interakcie možno opísať pomocou meracích polí. Hlavnou vlastnosťou meracích polí je existencia abstraktných symetrií, vďaka ktorým tento prístup nadobúda eleganciu a otvára široké možnosti. Prítomnosť symetrií silového poľa celkom určite naznačuje prejav nejakej skrytej geometrie. V Kalužovej-Kleinovej teórii prinavrátenej k životu nadobúdajú symetrie kalibračných polí konkrétnosť – sú to geometrické symetrie spojené s ďalšími rozmermi priestoru.
Rovnako ako v pôvodnej verzii sú interakcie do teórie zavedené pridaním ďalších priestorových dimenzií k časopriestoru. Keďže sa však teraz musíme prispôsobiť trom typom interakcií, musíme zaviesť niekoľko ďalších dimenzií. Jednoduchý výpočet počtu operácií symetrie zahrnutých v GUT vedie k teórii so siedmimi dodatočnými priestorovými dimenziami (takže ich celkový počet dosahuje desať); ak sa berie do úvahy čas, tak celý časopriestor má jedenásť dimenzií. [Soldatov VK Teória „veľkého zjednotenia“. - M., Postscriptum, 2000, s. 69.]
Hlavné ustanovenia teórie „Veľkého zjednotenia“ z pohľadu kvantovej fyziky
V kvantovej fyzike je každá dĺžková stupnica spojená s energetickou (alebo ekvivalentnou hmotnostnou) stupnicou. Čím menšia je skúmaná dĺžková stupnica, tým vyššia je energia potrebná na to. Štúdium kvarkovej štruktúry protónu vyžaduje energie ekvivalentné najmenej desaťnásobku hmotnosti protónu. Oveľa vyššie na energetickej škále je hmotnosť zodpovedajúca Veľkému zjednoteniu. Ak sa nám niekedy podarí dosiahnuť takú obrovskú hmotnosť (energiu), od ktorej máme dnes veľmi ďaleko, potom bude možné študovať svet X-častíc, v ktorom sa stierajú rozdiely medzi kvarkami a leptónmi.
Aký druh energie je potrebný na preniknutie „do vnútra“ 7-sféry a preskúmanie ďalších dimenzií vesmíru? Podľa Kaluza-Kleinovej teórie je potrebné prekročiť rozsah Veľkého zjednotenia a dosiahnuť energie ekvivalentné 10 19 protónovým hmotnostiam. Len s takými nepredstaviteľne obrovskými energiami by bolo možné priamo pozorovať prejavy ďalších dimenzií priestoru.
Táto obrovská hodnota - 10 19 hmotností protónov - sa nazýva Planckova hmotnosť, pretože ju prvýkrát predstavil Max Planck, tvorca kvantovej teórie. S energiou zodpovedajúcou Planckovej hmotnosti by sa všetky štyri interakcie v prírode spojili do jedinej supersily a desať priestorových dimenzií by bolo úplne rovnakých. Ak by bolo možné sústrediť dostatočné množstvo energie, „zabezpečujúce dosiahnutie Planckovej hmoty, potom by sa plný rozmer priestoru prejavil v celej svojej nádhere.“ [Jakušev A. S. Základné pojmy modernej prírodnej vedy. -M, 2001, s. 122.]
Dáme voľný priechod fantázii a možno si predstaviť, že jedného dňa ľudstvo ovládne superveľmoc. Ak by sa to stalo, potom by sme získali moc nad prírodou, pretože supersila v konečnom dôsledku dáva vznik všetkým interakciám a všetkým fyzickým objektom; v tomto zmysle je základným princípom všetkých vecí. Po zvládnutí superschopnosti sme mohli zmeniť štruktúru priestoru a času, ohnúť prázdnotu vlastným spôsobom a dať hmotu do poriadku. Ovládaním superveľmoci by sme mohli vytvárať alebo transformovať častice podľa ľubovôle a vytvárať nové exotické formy hmoty. Mohli by sme dokonca manipulovať s dimenziou samotného priestoru a vytvárať bizarné umelé svety s nemysliteľnými vlastnosťami. Boli by sme skutočne pánmi vesmíru!
Ale ako sa to dá dosiahnuť? V prvom rade treba nabrať dostatok energie. Aby ste mali predstavu, o čom hovoríme, pripomeňte si, že lineárny urýchľovač v Stanforde, dlhý 3 km, urýchľuje elektróny na energie ekvivalentné 20 protónovým hmotnostiam. Na dosiahnutie Planckovej energie by sa musel urýchľovač predĺžiť o faktor 1018, čím by sa stal veľkosťou Mliečnej dráhy (asi stotisíc svetelných rokov). Takýto projekt nepatrí medzi tie, ktoré je možné realizovať v dohľadnej dobe. [Wheeler J.A. Quantum and Universe // Astrofyzika, kvantá a teória relativity, M., 1982, s. 276.]
Vo Veľkej zjednotenej teórii existujú tri odlišné prahy alebo škály energie. V prvom rade ide o Weinbergov-Salamov prah, ekvivalentný takmer 90 protónovým hmotnostiam, nad ktorými sa elektromagnetické a slabé interakcie spájajú do jedinej elektroslabej. Druhá stupnica, zodpovedajúca 10 14 protónovým hmotnostiam, je charakteristická pre Veľké zjednotenie a na ňom založenú novú fyziku. Nakoniec, konečná mierka, Planckova hmotnosť, ekvivalentná 10 19 protónovým hmotnostiam, zodpovedá úplnému zjednoteniu všetkých interakcií, v dôsledku čoho je svet úžasne zjednodušený. Jedným z najväčších nevyriešených problémov je vysvetlenie existencie týchto troch stupníc, ako aj dôvodov takého výrazného rozdielu medzi prvou a druhou z nich. [Soldatov VK Teória „veľkého zjednotenia“. - M., Postscriptum, 2000, s. 76.]
Moderná technológia je schopná dosiahnuť len prvý rozsah. Rozpad protónu by nám mohol poskytnúť nepriamy prostriedok na štúdium fyzického sveta v mierke Veľkého zjednotenia, hoci v súčasnosti sa zdá, že neexistuje žiadna nádej na priame dosiahnutie tohto limitu, nehovoriac o mieri Planckovej hmoty.
Znamená to, že nikdy nebudeme môcť pozorovať prejavy pôvodnej superveľmoci a neviditeľných siedmich dimenzií vesmíru. Pomocou takých technických prostriedkov, ako je supravodivý superzrážač, sa rýchlo posúvame nahor v škále energií dosiahnuteľných v pozemských podmienkach. Technika vytvorená ľuďmi však ani zďaleka nevyčerpáva všetky možnosti – je tu samotná príroda. Vesmír je gigantické prírodné laboratórium, v ktorom sa pred 18 miliardami rokov „uskutočnil“ najväčší experiment v oblasti fyziky elementárnych častíc. Tento experiment nazývame Veľký tresk. Ako bude diskutované neskôr, táto počiatočná udalosť stačila na uvoľnenie - aj keď na veľmi krátky okamih - superschopnosti. To však zrejme stačilo na to, aby strašidelná existencia superveľmoci navždy zanechala svoje stopy. [Jakushev A. S. Základné pojmy modernej prírodnej vedy. - M., Fact-M, 2001, s. 165.]
Slabá sila alebo slabá jadrová sila je jednou zo štyroch základných síl v prírode. Je zodpovedný najmä za beta rozpad jadra. Táto interakcia sa nazýva slabá, pretože ďalšie dve interakcie, ktoré sú významné pre jadrovú fyziku (silná a elektromagnetická), sa vyznačujú oveľa väčšou intenzitou. Je však oveľa silnejšia ako štvrtá zo základných interakcií, gravitačná. Táto interakcia je najslabšia zo základných interakcií experimentálne pozorovaných pri rozpadoch elementárnych častíc, kde sú kvantové efekty zásadne významné. Kvantové prejavy gravitačnej interakcie neboli nikdy pozorované. Slabá interakcia sa rozlišuje pomocou nasledujúceho pravidla: ak sa na procese interakcie zúčastňuje elementárna častica nazývaná neutríno (alebo antineutríno), potom je táto interakcia slabá.
Typickým príkladom slabej interakcie je beta rozpad neutrónov
kde n je neutrón, p je protón, e- je elektrón, e je elektrónové antineutríno.
Treba si však uvedomiť, že vyššie uvedené pravidlo vôbec neznamená, že akýkoľvek akt slabej interakcie musí byť sprevádzaný neutrínom alebo antineutrínom. Je známe, že dochádza k veľkému počtu rozpadov bez neutrín. Ako príklad si môžeme všimnúť proces rozpadu hyperónu lambda na protón p a záporne nabitý pión. Podľa moderných koncepcií neutrón a protón nie sú skutočne elementárne častice, ale pozostávajú z elementárnych častíc nazývaných kvarky.
Intenzitu slabej interakcie charakterizuje Fermiho väzbová konštanta GF. Konštanta GF je rozmerová. Na vytvorenie bezrozmernej veličiny je potrebné použiť nejakú štandardnú hmotnosť, napríklad hmotnosť protónov mp. Potom bude bezrozmerná väzbová konštanta
Je vidieť, že slabá interakcia je oveľa intenzívnejšia ako gravitačná.
Slabá interakcia je na rozdiel od gravitačnej krátkodosahovej. To znamená, že slabá interakcia medzi časticami vstupuje do hry iba vtedy, ak sú častice dostatočne blízko seba. Ak vzdialenosť medzi časticami prekročí určitú hodnotu, ktorá sa nazýva charakteristický polomer interakcie, slabá interakcia sa neprejaví. Experimentálne sa zistilo, že charakteristický polomer slabej interakcie rádovo 10-15 cm, to znamená slabá interakcia, sa koncentruje vo vzdialenostiach menších ako je veľkosť atómového jadra. Hoci je slabá interakcia v podstate sústredená vo vnútri jadra, má určité makroskopické prejavy. Okrem toho slabá interakcia hrá dôležitú úlohu v takzvaných termonukleárnych reakciách zodpovedných za mechanizmus uvoľňovania energie vo hviezdach. Najúžasnejšou vlastnosťou slabej interakcie je existencia procesov, v ktorých sa prejavuje zrkadlová asymetria. Na prvý pohľad sa zdá zrejmé, že rozdiel medzi pojmami ľavica a pravica je svojvoľný. Procesy gravitačných, elektromagnetických a silných interakcií sú skutočne invariantné vzhľadom na priestorovú inverziu, ktorá implementuje zrkadlový odraz. Hovorí sa, že v takýchto procesoch sa zachováva priestorová parita P. Experimentálne sa však zistilo, že slabé procesy môžu pokračovať s nezachovaním priestorovej parity, a preto sa zdá, že cítia rozdiel medzi ľavicou a pravicou. V súčasnosti existujú solídne experimentálne dôkazy, že nezachovávanie parity v slabých interakciách má univerzálny charakter, prejavuje sa nielen v rozpadoch elementárnych častíc, ale aj v jadrových a dokonca atómových javoch. Malo by sa uznať, že zrkadlová asymetria je vlastnosťou prírody na tej najzákladnejšej úrovni.
Ďalšie články:
štátov
V roku 1932 bol navrhnutý protón-neutrónový model Ivanenko-Heisenberg. Jadrá s rovnakým nábojom a rôznymi hmotnosťami sa nazývajú izotopy. 75% 25% prírodný chlór. Jadrá s rovnakými hmotnostnými číslami, ale rôznymi nábojmi...
Chemické zloženie a fyzikálno-chemické vlastnosti DNA
DNA je viacsýtna silná kyselina, ktorej alkalické soli tvoria vo vode veľmi viskózne priehľadné koloidné roztoky, ktoré tuhnú pri koncentrácii nad 0,25 %. Roztoky DNA sa vyznačujú abnormálnou (štrukturálnou) viskozitou...
Dvojstupňový hlboký poloprúdový proces
V prvom fermentore rastú baktérie. Časť obsahu z prvého fermentora sa prečerpáva do druhého, kde je fermentácia ukončená. Do prvého fermentora sa pridá čerstvá mladina a obsah druhého sa úplne vyleje. Básnik...
Slabá interakcia
Silná interakcia
Silná interakcia je krátkeho dosahu. Jeho akčný rádius je asi 10-13 cm.
Častice zapojené do silnej interakcie sa nazývajú hadróny. V bežnej stabilnej látke pri nie príliš vysokej teplote nespôsobuje silná interakcia žiadne procesy. Jeho úlohou je vytvárať pevnú väzbu medzi nukleónmi (protónmi a neutrónmi) v jadrách. Väzbová energia je v priemere asi 8 MeV na nukleón. V tomto prípade pri zrážkach jadier alebo nukleónov s dostatočne vysokou energiou (rádovo stovky MeV) vedie silná interakcia k početným jadrovým reakciám: štiepenie jadier, premena jedného jadra na druhé atď.
Počnúc energiami kolidujúcich nukleónov rádovo niekoľko stoviek MeV vedie silná interakcia k produkcii P-mezónov. Pri ešte vyšších energiách sa rodia K-mezóny a hyperóny a mnohé mezónové a baryónové rezonancie (rezonancie sú krátkodobé excitované stavy hadrónov).
Zároveň sa ukázalo, že nie všetky častice zažívajú silnú interakciu. Zažívajú ho protóny a neutróny, ale elektróny, neutrína a fotóny mu nepodliehajú. Na silnej interakcii sa zvyčajne zúčastňujú iba ťažké častice.
Bolo ťažké vyvinúť teoretické vysvetlenie povahy silnej interakcie. Prelom bol načrtnutý až začiatkom 60. rokov, keď bol navrhnutý kvarkový model. V tejto teórii sa neutróny a protóny nepovažujú za elementárne častice, ale za kompozitné systémy postavené z kvarkov.
Silné interakčné kvantá sú osem gluónov. Gluóny dostali svoj názov z anglického slova lepidlo (lepidlo), pretože sú zodpovedné za uväznenie kvarkov. Zvyšné hmotnosti gluónov sú rovné nule. Gluóny majú zároveň farebný náboj, vďaka ktorému sú schopné vzájomnej interakcie, ako sa hovorí, samočinného pôsobenia, čo vedie k ťažkostiam pri matematickom opise silnej interakcie v dôsledku jej nelineárnosti.
Jeho akčný rádius je menší ako 10-15 cm Slabá interakcia je o niekoľko rádov slabšia ako nielen silná, ale aj elektromagnetická. Zároveň je oveľa silnejší ako ten gravitačný v mikrokozme.
Prvý objavený a najrozšírenejší proces spôsobený slabou interakciou je rádioaktívny b-rozpad jadier.
Hostené na ref.rf
Tento typ rádioaktivity objavil v roku 1896 A.A. Becquerel.em. V procese rádioaktívneho elektronického / b - - / rozpadu sa jedného z neutrónov / n/ atómové jadro sa mení na protón / R/ s emisiou elektrónov / e-/ a elektronické antineutrino //:
n® p + e-+
V procese rozpadu pozitrónu /b + -/ dochádza k prechodu:
p® n + e++
V prvej teórii b-rozpadu, ktorú v roku 1934 vytvoril E. Fermi, na vysvetlenie tohto javu bolo potrebné zaviesť hypotézu o existencii špeciálneho typu síl krátkeho dosahu, ktoré spôsobujú prechod
n® p + e-+
Ďalší výskum ukázal, že interakcia zavedená Fermim má univerzálny charakter.
Hostené na ref.rf
Spôsobuje rozpad všetkých nestabilných častíc, ktorých hmotnosti a pravidlá výberu pre kvantové čísla nedovoľujú rozpad v dôsledku silnej alebo elektromagnetickej interakcie. Slabá interakcia je vlastná všetkým časticiam okrem fotónov. Charakteristický čas procesov slabej interakcie pri energiách rádovo 100 MeV je o 13-14 rádov dlhší ako charakteristický čas pre silnú interakciu.
Slabé interakčné kvantá sú tri bozóny - W + , W − , Z°- bozóny. Horné indexy označujú znak elektrického náboja týchto kvánt. Kvantá slabej interakcie majú značnú hmotnosť, čo vedie k tomu, že slabá interakcia sa prejavuje na veľmi krátke vzdialenosti.
Je potrebné vziať do úvahy, že dnes sú už slabé a elektromagnetické interakcie spojené do jednej teórie. Existuje množstvo teoretických schém, v ktorých sa pokúšame vytvoriť jednotnú teóriu všetkých typov interakcií. Tieto schémy však ešte nie sú dostatočne vyvinuté na to, aby mohli byť experimentálne testované.
26. Stavebná fyzika. Korpuskulárny prístup k opisu a vysvetľovaniu prírody. Redukcionizmus
Predmetom štruktúrnej fyziky sú prvky štruktúry hmoty (napr. molekuly, atómy, elementárne častice) a ich zložitejšie formovanie. Toto je:
1) plazma - je to plyn, v ktorom je podstatná časť molekúl alebo atómov ionizovaná;
2) kryštály- sú to pevné látky, v ktorých sú atómy alebo molekuly usporiadané a tvoria periodicky sa opakujúcu vnútornú štruktúru;
3) kvapaliny- ide o stav agregácie hmoty, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ v sebe spája znaky tuhého skupenstva (zachovanie objemu, určitá pevnosť v ťahu) a plynného skupenstva (variabilita tvaru).
Kvapaliny sa vyznačujú:
a) poriadok krátkeho dosahu v usporiadaní častíc (molekuly, atómy);
b) malý rozdiel v kinetickej energii tepelného pohybu a ich potenciálnej energii interakcie.
4) hviezdy,ᴛ.ᴇ. žeravé plynové (plazmové) gule.
Pri zvýrazňovaní štruktúrnych rovníc hmoty sa používajú tieto kritériá:
Priestorové rozmery: častice rovnakej úrovne majú priestorové rozmery rovnakého rádu (napríklad všetky atómy majú rozmery rádovo 10 -8 cm);
Čas procesov: na jednej úrovni je to približne rovnaké poradie;
Objekty rovnakej úrovne pozostávajú z rovnakých prvkov (napríklad všetky jadrá pozostávajú z protónov a neutrónov);
Zákony, ktoré vysvetľujú procesy na jednej úrovni, sú kvalitatívne odlišné od zákonov, ktoré vysvetľujú procesy na inej úrovni;
Objekty rôznych úrovní sa líšia v základných vlastnostiach (napríklad všetky atómy sú elektricky neutrálne a všetky jadrá sú kladne elektricky nabité).
S objavovaním nových úrovní štruktúry a stavov hmoty sa oblasť predmetov štrukturálnej fyziky rozširuje.
Treba mať na pamäti, že pri riešení konkrétnych fyzikálnych problémov sú otázky súvisiace s objasnením štruktúry, interakcie a pohybu úzko prepojené.
Základom štrukturálnej fyziky je korpuskulárny prístup k opisu a vysvetleniu prírody.
Prvýkrát sa pojem atóm ako posledná a nedeliteľná častica tela objavil v starovekom Grécku v rámci prírodno-filozofického učenia školy Leucippus-Democritus. Podľa tohto názoru existujú na svete iba atómy, ktoré sa pohybujú v prázdnote. Starovekí atomisti považovali kontinuitu hmoty za zjavnú. Rôzne kombinácie atómov tvoria rôzne viditeľné telesá. Táto hypotéza nebola založená na experimentálnych údajoch. Bola to len skvelý odhad. Ale určilo to celý ďalší vývoj prírodných vied na mnoho storočí dopredu.
Hypotéza atómov ako nedeliteľných častíc hmoty bola obnovená v prírodných vedách, najmä vo fyzike a chémii, aby sa vysvetlili niektoré vzorce, ktoré boli stanovené empiricky (napríklad zákony Boyle-Mariotte a Gay-Lussac pre ideálne plyny, tepelná expanzia telies atď.). d.). Boyle-Mariottov zákon totiž hovorí, že objem plynu je nepriamo úmerný jeho tlaku, ale nevysvetľuje, prečo je to tak. Podobne, keď sa teleso zahrieva, jeho rozmery sa zväčšujú. Aký je však dôvod tohto rozšírenia? V kinetickej teórii hmoty sa tieto a ďalšie zákonitosti stanovené skúsenosťou vysvetľujú pomocou atómov a molekúl.
Priamo pozorovaný a meraný pokles tlaku plynu so zväčšením jeho objemu v kinetickej teórii hmoty sa totiž vysvetľuje ako nárast voľnej dráhy jej základných atómov a molekúl. V dôsledku toho sa objem, ktorý zaberá plyn, zvyšuje. Podobne expanzia telies pri zahrievaní v kinetickej teórii hmoty sa vysvetľuje zvýšením priemernej rýchlosti pohybujúcich sa molekúl.
Vysvetlenia, v ktorých sa vlastnosti zložitých látok alebo telies snažia redukovať na vlastnosti ich jednoduchších prvkov alebo zložiek, sa nazývajú redukcionizmus. Táto metóda analýzy umožnila vyriešiť veľkú skupinu problémov v prírodných vedách.
Až do konca XIX storočia. Verilo sa, že atóm je najmenšia, nedeliteľná, bezštruktúrna častica hmoty. Zároveň objavy elektrónu, rádioaktivity ukázali, že to tak nie je. Vzniká Rutherfordov planetárny model atómu. Potom je nahradený modelom N. Bora. Ale ako predtým, myšlienka fyzikov je zameraná na redukciu celej rozmanitosti zložitých vlastností telies a prírodných javov na jednoduché vlastnosti malého počtu primárnych častíc. Následne boli tieto častice pomenované elementárne. Teraz ich celkový počet presahuje 350. Z tohto dôvodu je nepravdepodobné, že všetky takéto častice možno nazvať skutočne elementárnymi, neobsahujúcimi iné prvky. Toto presvedčenie sa posilňuje v súvislosti s hypotézou o existencii kvarkov. Známe elementárne častice podľa nej pozostávajú z častíc s čiastkovými elektrickými nábojmi. Nazývajú sa kvarky.
Podľa typu interakcie, na ktorej sa zúčastňujú elementárne častice, sú všetky okrem fotónu rozdelené do dvoch skupín:
1) hadróny. Stojí za to povedať, že sa vyznačujú prítomnosťou silnej interakcie. Zároveň sa môžu podieľať aj na slabých a elektromagnetických interakciách;
2) leptóny. Οʜᴎ sa zúčastňujú iba elektromagnetických a slabých interakcií;
Podľa životnosti sa rozlišujú:
a) stabilné elementárne častice. Sú to elektrón, fotón, protón a neutríno;
b) kvázi stabilné. Sú to častice, ktoré sa rozpadajú v dôsledku elektromagnetických a slabých interakcií. Napríklad do +® m++;
c) nestabilné. Οʜᴎ rozpad v dôsledku silnej interakcie, napr. neutrón.
Elektrické náboje elementárnych častíc sú násobky najmenšieho náboja vlastného elektrónu. Súčasne sú elementárne častice rozdelené do párov častica - antičastica, napríklad e - - e + (všetky majú rovnaké vlastnosti a znaky elektrického náboja sú opačné). Elektricky neutrálne častice majú aj antičastice, napr. P -,- .
Atomistický koncept je teda založený na myšlienke diskrétnej štruktúry hmoty. Atomistický prístup vysvetľuje vlastnosti fyzikálneho objektu na základe vlastností jeho najmenších častíc, ktoré sa v určitom štádiu poznania považujú za nedeliteľné. Historicky boli takéto častice najskôr rozpoznané ako atómy, potom elementárne častice a teraz - kvarky. Ťažkosťou tohto prístupu je úplná redukcia komplexu na jednoduchý, ktorý nezohľadňuje kvalitatívne rozdiely medzi nimi.
Až do konca prvej štvrtiny 20. storočia sa myšlienka jednoty štruktúry makro- a mikrokozmu chápala mechanicky, ako úplná identita zákonov a úplná podobnosť štruktúry oboch.
Mikročastice boli interpretované ako miniatúrne kópie makroteliesok, ᴛ.ᴇ. ako extrémne malé guľôčky (telieska) pohybujúce sa po presných dráhach, ktoré sú úplne analogické s dráhami planét, len s tým rozdielom, že nebeské telesá sú spojené gravitačnými interakčnými silami a mikročastice - elektrickými interakčnými silami.
Po objavení elektrónu (Thomson, 1897 ᴦ.), vytvorení kvantovej teórie (Planck, 1900 ᴦ.), zavedení pojmu fotónu (Einstein, 1905 ᴦ.) nadobudla atómová doktrína nový charakter. .
Hostené na ref.rf
Myšlienka diskrétnosti sa rozšírila na oblasť elektrických a svetelných javov, na koncepciu energie (v 19. storočí doktrína energie slúžila ako sféra reprezentácie spojitých veličín a stavových funkcií). Najdôležitejšou črtou modernej atómovej doktríny je atomizmus konania. Súvisí to s tým, že pohyb, vlastnosti a stavy rôznych mikroobjektov možno kvantovať, ᴛ.ᴇ. sú vyjadrené vo forme diskrétnych veličín a pomerov. Nová atomistika uznáva relatívnu stabilitu každého diskrétneho typu hmoty, jej kvalitatívnu istotu, jej relatívnu nedeliteľnosť a nezvratnosť v rámci určitých hraníc prírodných javov. Napríklad, atóm je deliteľný niektorými fyzikálnymi spôsobmi, je chemicky nedeliteľný, ᴛ.ᴇ. v chemických procesoch sa správa ako niečo celistvé, nedeliteľné. Molekula, ktorá je chemicky deliteľná na atómy, sa pri tepelnom pohybe (do určitých hraníc) správa ako celok, nedeliteľne atď.
Obzvlášť dôležité v koncepcii novej atomistiky je rozpoznanie vzájomnej konvertibility akýchkoľvek diskrétnych typov hmoty.
Rôzne úrovne štruktúrnej organizácie fyzikálnej reality (kvarky, mikročastice, jadrá, atómy, molekuly, makrotelieska, megasystémy) majú svoje špecifické fyzikálne zákony. Ale bez ohľadu na to, ako sa skúmané javy líšia od javov skúmaných klasickou fyzikou, všetky experimentálne údaje musia byť opísané pomocou klasických konceptov. Medzi popisom správania skúmaného mikroobjektu a popisom činnosti meracích prístrojov je zásadný rozdiel. Je to dôsledok toho, že činnosť meracích prístrojov by v zásade mala byť popísaná jazykom klasickej fyziky, pričom skúmaný objekt v tomto jazyku byť popísaný nemusí.
Korpuskulárny prístup pri vysvetľovaní fyzikálnych javov a procesov bol od vzniku fyziky interakcií vždy kombinovaný s prístupom kontinua. Bolo to vyjadrené v koncepte poľa a odhalení jeho úlohy vo fyzickej interakcii. Reprezentácia poľa ako toku určitého druhu častíc (kvantová teória poľa) a pripisovanie vlnových vlastností akémukoľvek fyzickému objektu (hypotéza Louisa de Broglieho) spojili tieto dva prístupy k analýze fyzikálnych javov.
Slabá interakcia - koncept a typy. Klasifikácia a vlastnosti kategórie „Slabá interakcia“ 2017, 2018.
Slabá interakcia.K Aby sa odhalila existencia slabej interakcie, fyzika postupovala pomaly. Slabá sila je zodpovedná za rozpad častíc; a preto bol jeho prejav konfrontovaný s objavom rádioaktivity a štúdiom beta rozpadu.
Beta rozpad vykazoval veľmi bizarnú vlastnosť. Štúdie viedli k záveru, že tento rozpad zrejme porušuje jeden zo základných zákonov fyziky – zákon zachovania energie. Zdalo sa, že časť energie niekam zmizla. Aby V. Pauli „ušetril“ zákon zachovania energie, navrhol, aby počas beta rozpadu spolu s elektrónom vyletela ďalšia častica, ktorá si so sebou vezme chýbajúcu energiu. Je neutrálny a má nezvyčajne vysokú penetračnú silu, v dôsledku čoho ho nebolo možné pozorovať. E. Fermi nazval neviditeľnú časticu „neutrínom“.
No predpoveď neutrína je len začiatkom problému, jeho formulácie. Bolo potrebné vysvetliť podstatu neutrína, ale zostalo veľa záhad. Faktom je, že elektróny a neutrína boli emitované nestabilnými jadrami. Ale bolo nezvratne dokázané, že vo vnútri jadier takéto častice nie sú. Predpokladalo sa, že elektróny a neutrína neexistujú v jadre v „hotovej forme“, ale sú nejakým spôsobom vytvorené z energie rádioaktívneho jadra. Ďalšie štúdie ukázali, že neutróny, ktoré tvoria jadro, ponechané samé sebe, sa po niekoľkých minútach rozpadajú na protón, elektrón a neutríno, t.j. namiesto jednej častice sa objavia tri nové. Analýza viedla k záveru, že známe sily nemôžu spôsobiť takýto rozpad. Zjavne ho vytvorila nejaká iná, neznáma sila. Štúdie ukázali, že táto sila zodpovedá nejakej slabej interakcii.
Slabá interakcia je oveľa menšia ako všetky
interakcie iné ako gravitačné a v systémoch, kde je prítomný, sú jeho účinky zatienené elektromagnetickými a silnými interakciami. Okrem toho sa slabá sila šíri na veľmi malé vzdialenosti. Slabý interakčný polomer je veľmi malý. Slabá interakcia sa zastaví vo vzdialenosti väčšej ako 10-16 cm od zdroja, a preto nemôže ovplyvniť makroskopické objekty, ale je obmedzená na mikrokozmos, subatomárne častice. Keď sa začal lavínovitý objav mnohých nestabilných subjadrových častíc, zistilo sa, že väčšina z nich sa podieľa na slabej interakcii.
Silná interakcia. Posledný medzi fundamentálne interakcie patrí silná interakcia, ktorá je zdrojom obrovskej energie. Najcharakteristickejším príkladom energie uvoľnenej silnou silou je Slnko. V hlbinách Slnka a hviezd nepretržite prebiehajú termonukleárne reakcie, spôsobené silnými interakciami. Ale aj človek sa naučil uvoľniť silnú interakciu: vytvorila sa vodíková bomba a navrhli technológie riadenej termonukleárnej reakcie, ktoré sa zdokonaľujú.
Fyzika dospela k myšlienke existencie silnej interakcie v priebehu štúdia štruktúry atómového jadra. Určitá sila musí držať kladne nabité protóny v jadre a bráni im odletieť od seba vplyvom elektrostatického odpudzovania. Gravitácia je príliš slabá, aby to zabezpečila; Je zrejmé, že je potrebná určitá interakcia, navyše silnejšia ako elektromagnetická. Následne sa to zistilo. Ukázalo sa, že hoci silná interakcia svojou veľkosťou výrazne prevyšuje všetky ostatné zásadné interakcie, mimo jadra ju necítiť. Rovnako ako v prípade slabej interakcie sa polomer pôsobenia novej sily ukázal ako veľmi malý: silná interakcia sa prejavuje vo vzdialenosti určenej veľkosťou jadra, t.j. asi 10-13 cm.Navyše sa ukázalo, že nie všetky častice prežívajú silnú interakciu. Zažívajú ho protóny a neutróny, ale elektróny, neutrína a fotóny mu nepodliehajú. Na silnej interakcii sa zvyčajne zúčastňujú iba ťažké častice. Je zodpovedný za tvorbu jadier a mnohé interakcie elementárnych častíc.
Bolo ťažké vyvinúť teoretické vysvetlenie povahy silnej interakcie. Prelom bol načrtnutý až začiatkom 60. rokov, keď bol navrhnutý kvarkový model. V tejto teórii sa neutróny a protóny nepovažujú za elementárne častice, ale za kompozitné systémy postavené z kvarkov.
Gravitačná interakcia existuje medzi všetkými elementárnymi časticami a určuje gravitačnú príťažlivosť všetkých telies k sebe v akejkoľvek vzdialenosti (pozri zákon univerzálnej gravitácie); je zanedbateľne malá vo fyzikálnych procesoch v mikrokozme, ale hrá hlavnú úlohu napríklad v kozmogónii. Slabá interakcia sa prejavuje len vo vzdialenosti cca 10-18 m a spôsobuje rozpadové procesy (napr. beta rozpad niektorých elementárnych častíc a
jadrá). Elektromagnetická interakcia existuje v akejkoľvek vzdialenosti medzi elementárnymi časticami, ktoré majú elektrický náboj alebo magnetický moment; najmä určuje spojenie elektrónov a jadier v atómoch a je tiež zodpovedné za všetky druhy elektromagnetického žiarenia. Silná interakcia sa prejavuje vo vzdialenostiach asi 10-15 m a podmieňuje existenciu atómových jadier.
Slabá interakcia
Táto interakcia je najslabšia zo základných interakcií experimentálne pozorovaných pri rozpadoch elementárnych častíc, kde sú kvantové efekty zásadne významné. Pripomeňme, že kvantové prejavy gravitačnej interakcie neboli nikdy pozorované. Slabá interakcia sa rozlišuje pomocou nasledujúceho pravidla: ak sa na procese interakcie zúčastňuje elementárna častica nazývaná neutríno (alebo antineutríno), potom je táto interakcia slabá.
Slabá interakcia je oveľa intenzívnejšia ako gravitačná.
Slabá interakcia je na rozdiel od gravitačnej krátkodosahovej. To znamená, že slabá interakcia medzi časticami vstupuje do hry iba vtedy, ak sú častice dostatočne blízko seba. Ak vzdialenosť medzi časticami prekročí určitú hodnotu, ktorá sa nazýva charakteristický polomer interakcie, slabá interakcia sa neprejaví. Experimentálne sa zistilo, že charakteristický polomer slabej interakcie rádovo 10-15 cm, to znamená slabá interakcia, sa koncentruje vo vzdialenostiach menších ako je veľkosť atómového jadra.
Prečo môžeme hovoriť o slabej interakcii ako o nezávislej forme základných interakcií? Odpoveď je jednoduchá. Zistilo sa, že existujú procesy premien elementárnych častíc, ktoré nemožno zredukovať na gravitačné, elektromagnetické a silné interakcie. Dobrý príklad, ktorý ukazuje, že v jadrových javoch existujú tri kvalitatívne odlišné interakcie, súvisí s rádioaktivitou. Experimenty naznačujú prítomnosť troch rôznych typov rádioaktivity: a-, b a g-rádioaktívnych rozpadov. V tomto prípade je a-rozpad spôsobený silnou interakciou, g-rozpad - elektromagnetický. Zostávajúci b-rozpad nemožno vysvetliť elektromagnetickými a silnými interakciami a sme nútení pripustiť, že existuje ďalšia základná interakcia nazývaná slabá. Vo všeobecnosti je potreba zaviesť slabú interakciu spôsobená skutočnosťou, že v prírode sa vyskytujú procesy, v ktorých sú elektromagnetické a silné rozpady zakázané zákonmi ochrany.
Hoci je slabá interakcia v podstate sústredená vo vnútri jadra, má určité makroskopické prejavy. Ako sme už uviedli, je spojená s procesom b-rádioaktivity. Okrem toho slabá interakcia hrá dôležitú úlohu v takzvaných termonukleárnych reakciách zodpovedných za mechanizmus uvoľňovania energie vo hviezdach.
Najúžasnejšou vlastnosťou slabej interakcie je existencia procesov, v ktorých sa prejavuje zrkadlová asymetria. Na prvý pohľad sa zdá zrejmé, že rozdiel medzi pojmami ľavica a pravica je svojvoľný. Procesy gravitačných, elektromagnetických a silných interakcií sú skutočne invariantné vzhľadom na priestorovú inverziu, ktorá implementuje zrkadlový odraz. Hovorí sa, že v takýchto procesoch sa zachováva priestorová parita P. Experimentálne sa však zistilo, že slabé procesy môžu pokračovať s nezachovaním priestorovej parity, a preto sa zdá, že cítia rozdiel medzi ľavicou a pravicou. V súčasnosti existujú solídne experimentálne dôkazy, že nezachovávanie parity v slabých interakciách má univerzálny charakter, prejavuje sa nielen v rozpadoch elementárnych častíc, ale aj v jadrových a dokonca atómových javoch. Malo by sa uznať, že zrkadlová asymetria je vlastnosťou prírody na tej najzákladnejšej úrovni.
Všetky nabité telesá, všetky nabité elementárne častice sa zúčastňujú elektromagnetickej interakcie. V tomto zmysle je celkom univerzálny. Klasická teória elektromagnetickej interakcie je Maxwellova elektrodynamika. Elektrónový náboj e sa berie ako väzbová konštanta.
Ak vezmeme do úvahy dva pokojové náboje q1 a q2, ich elektromagnetická interakcia sa zníži na známu elektrostatickú silu. To znamená, že interakcia je na veľké vzdialenosti a pomaly klesá s rastúcou vzdialenosťou medzi nábojmi. Nabitá častica vyžaruje fotón, čím sa mení stav jej pohybu. Iná častica tento fotón pohltí a tiež zmení stav jeho pohybu. V dôsledku toho sa zdá, že častice cítia vzájomnú prítomnosť. Je dobre známe, že elektrický náboj je rozmerová veličina. Je vhodné zaviesť bezrozmernú väzbovú konštantu elektromagnetickej interakcie. Aby sme to dosiahli, musíme použiť základné konštanty a c. Výsledkom je, že dospejeme k nasledujúcej bezrozmernej väzbovej konštante, ktorá sa v atómovej fyzike nazýva konštanta jemnej štruktúry
Je ľahké vidieť, že táto konštanta výrazne prevyšuje konštanty gravitačnej a slabej interakcie.
Z moderného hľadiska sú elektromagnetické a slabé interakcie odlišnými aspektmi jedinej elektroslabej interakcie. Vznikla jednotná teória elektroslabej interakcie – Weinberg-Salam-Glashowova teória, ktorá z jednotnej pozície vysvetľuje všetky aspekty elektromagnetických a slabých interakcií. Je možné na kvalitatívnej úrovni pochopiť, ako sa jednotná interakcia delí na samostatné, akoby nezávislé interakcie?
Pokiaľ sú charakteristické energie dostatočne malé, elektromagnetické a slabé interakcie sú oddelené a navzájom sa neovplyvňujú. S nárastom energie začína ich vzájomné ovplyvňovanie a pri dostatočne vysokých energiách sa tieto interakcie spájajú do jedinej elektroslabej interakcie. Charakteristická zjednocovacia energia sa odhaduje rádovo na 102 GeV (GeV je skratka pre gigaelektrónvolt, 1 GeV = 109 eV, 1 eV = 1,6 10-12 erg = 1,6 1019 J). Pre porovnanie uvádzame, že charakteristická energia elektrónu v základnom stave atómu vodíka je asi 10-8 GeV, charakteristická väzbová energia jadra atómu je asi 10-2 GeV, charakteristická väzbová energia pevnej látky je približne 10-10 GeV. Charakteristická energia zjednotenia elektromagnetických a slabých interakcií je teda obrovská v porovnaní s charakteristickými energiami v atómovej a jadrovej fyzike. Z tohto dôvodu elektromagnetické a slabé interakcie neprejavujú svoju spoločnú podstatu v bežných fyzikálnych javoch.
Silná interakcia
Silná sila je zodpovedná za stabilitu atómových jadier. Keďže atómové jadrá väčšiny chemických prvkov sú stabilné, je jasné, že interakcia, ktorá ich chráni pred rozpadom, musí byť dostatočne silná. Je dobre známe, že jadrá sa skladajú z protónov a neutrónov. Aby sa kladne nabité protóny nerozptyľovali rôznymi smermi, je potrebné, aby medzi nimi boli príťažlivé sily, ktoré prevyšujú sily elektrostatického odpudzovania. Práve silná interakcia je zodpovedná za tieto príťažlivé sily.
Charakteristickým znakom silnej interakcie je jej nábojová nezávislosť. Jadrové príťažlivé sily medzi protónmi, medzi neutrónmi a medzi protónom a neutrónom sú v podstate rovnaké. Z toho vyplýva, že z hľadiska silných interakcií sú protón a neutrón na nerozoznanie a používa sa pre ne jednotný pojem nukleón, teda častica jadra.
Takže sme urobili prehľad základných informácií týkajúcich sa štyroch základných interakcií Prírody. Stručne sú opísané mikroskopické a makroskopické prejavy týchto interakcií a obraz fyzikálnych javov, v ktorých hrajú dôležitú úlohu.
