Русский
Русский
English
Статистика
Реклама

Фундаментальные взаимодействия

Все фундаментальные взаимодействия, которые есть в природе и известны нам, жизненно важны, поскольку объясняют существующий мир. Все остальные силы являются вторичным эффектом этих взаимодействий. На каком принципе основаны фундаментальные силы природы и почему гравитация плохо вписывается в Стандартную модель, рассказывает физик Джонатан Баттерворт.Что такое фундаментальное взаимодействиеПрежде чем начать разговор о фундаментальных взаимодействиях, следует пояснить, что эти слова значат в данном контексте. С взаимодействием все просто: это значит, что два объекта не просто пролетают один мимо другого, а каким-то образом влияют друг на друга например, частицы отталкиваются друг от друга или электроны присоединяются к ядру, образуя атом. Взаимодействие, например, может быть отталкиванием, а может быть и притяжением частиц.Со словом фундаментальный все обстоит несколько сложнее. Когда физики произносят слово фундаментальный, они имеют в виду, что не могут разложить нечто на составные элементы. Поэтому название несколько условно: вдруг вы проведете эксперимент на более высоких энергиях и получите другую картину? Например, мы уже более ста лет знаем о существовании электронов: они были открыты Джозефом Томсоном в Кембридже в самом конце XIX века. Насколько мы знаем, электрон фундаментальная частица. Это значит, что за сто с лишним лет мы не смогли провести такой эксперимент, чтобы электрон распался на более мелкие частицы, мы не смогли выявить его внутреннюю структуру. Судя по всему, электрон бесконечно малая частица: кажется странным, что может существовать что-то бесконечно малое, но, как показывает практика, такое очень даже может быть. Такие частицы мы называем фундаментальными.Было время, когда ученые считали, что протон тоже фундаментальная частица, но, если проводить эксперименты на все более высоких энергиях, можно увидеть, что это не так: он состоит из кварков. Так что всегда нужно помнить о том, что, если вы проведете более качественный эксперимент, может оказаться, что и электрон не фундаментальная частица, а состоит из чего-то еще. Но в целом, когда мы говорим, что взаимодействия или частицы являются фундаментальными, мы имеем в виду, что их нельзя разложить на более мелкие составляющие, пока не доказано обратное.Например, возьмем силу трения. Это не фундаментальное взаимодействие, но вполне реальная сила: вы можете воочию увидеть ее действие, она удерживает машины на дорогах, она существует. Но если разложить ее на составляющие, если посмотреть на силу трения на микроскопическом уровне, вы увидите, что на самом деле это проявление электромагнитного взаимодействия. Когда два материала (скажем, резина колес и дорожное покрытие) трутся друг о друга, между электронами и атомными ядрами обоих материалов происходит электромагнитное взаимодействие, в результате чего образуется сила трения. Таким образом, сила трения не является фундаментальным взаимодействием это просто макроуровневое проявление электромагнитного взаимодействия.Виды фундаментальных взаимодействийИменно так мы определяем, является ли взаимодействие фундаментальным: можно ли разложить его на составляющие? Электромагнетизм на данный момент является одним из таких фундаментальных взаимодействий, а переносчиками электромагнитного взаимодействия фотоны, частицы света. Они также отвечают за магнитные поля, притяжение разнозаряженных частиц и в конечном счете за силу трения.В физике элементарных частиц нам известно еще два фундаментальных взаимодействия, которые вместе с электромагнетизмом образуют так называемую Стандартную модель физики элементарных частиц. Одно из них это сильное ядерное взаимодействие, оно удерживает частицы в атомном ядре. Возьмем для примера ядро гелия. В нем два протона и два нейтрона. Оба протона заряжены положительно, так что, согласно закону электромагнитного взаимодействия, они должны отталкиваться: если бы работал только электромагнетизм, они бы пытались разлететься. Но ядро гелия очень стабильно, частицы из него не разлетаются, а следовательно, должна быть другая сила, которая удерживает их в ядре. Исходя из этой логики, ученые решили, что такая сила есть, и назвали ее сильным взаимодействием. Теперь мы намного лучше его понимаем. Оно похоже на электромагнетизм, и его переносчиками являются глюоны частицы, аналогичные фотонам в электромагнетизме. По сути сильное взаимодействие происходит между кварками: оно заставляет их удерживаться вместе в протоне, а протоны в атомном ядре.Еще одно взаимодействие Стандартной модели слабое ядерное взаимодействие. Сложно сказать, как конкретно оно работает, поскольку мы не наблюдаем его как конкретную силу: у него небольшая дальность действия, оно работает только в атомном ядре и при любых попытках туда добраться угасает. Оно даже ничего не удерживает вместе. Что же это за сила такая, которая не удерживает другие частицы? Возьмем верхний кварк и нижний антикварк: из них можно получить W-бозон, переносчик слабого взаимодействия, а он, в свою очередь, может распасться на электрон и нейтрино. Внезапно оказывается, что мы можем взять составляющие ядерной материи и превратить их в электроны и нейтрино. Такие процессы лежат в основе происходящих на Солнце термоядерных реакций: именно так в большинстве случаев тяжелые частицы распадаются на более легкие. Так что эта сила не связывает частицы вместе, но все равно это очень важное взаимодействие, поскольку без него, например, не горело бы Солнце.Гравитационное взаимодействиеИтак, мы перечислили три фундаментальных взаимодействия Стандартной модели, но не упомянули очевидную силу, благодаря которой мы сидим в этой комнате, а не воспаряем к небу, это гравитация. Насколько мы знаем, гравитация также является фундаментальным взаимодействием, но в Стандартную модель вписывается плохо. Это связано с тем, что гравитация феноменально слабое взаимодействие: мы называем слабое взаимодействие слабым, но на самом деле гравитация намного слабее. Это несколько контринтуитивно, поскольку гравитация первое фундаментальное взаимодействие, с которым мы сталкиваемся. Это связано с тем, что гравитация кумулятивна, и, насколько мы знаем, отрицательной гравитации не может быть. Что касается электромагнетизма, то на Земле столько положительно заряженных частиц, сколько и отрицательно заряженных, поэтому мы не видим суммарную электромагнитную силу Земли. Однако вся материя на Земле, как бы она ни была заряжена, обладает свойством гравитационного притяжения, и оно суммируется.Поэтому гравитация так сильно бросается в глаза: она кумулятивна и не сводится в ноль, как остальные взаимодействия. Мы живем на большой планете, так что гравитационное притяжение всех частиц на Земле суммируется и удерживает нас на ней; к тому же Земля вращается вокруг Солнца, еще большего источника гравитационного притяжения.Но вдумайтесь: что заставляет работать наши мышцы? По сути электромагнитное взаимодействие, химия: работа наших мышц зависит от обмена электронами в ряде сложных молекул. Ваши мышцы сокращаются благодаря взаимодействиям, проходящим на атомном уровне. И я могу взять и поднять со стола ручку вопреки тому, что ее притягивает к себе Земля: это показывает, насколько электромагнитное взаимодействие сильнее гравитации. Так гравитация всегда с нами, и очевидно, что она очень важна, но, когда мы наблюдаем, например, те же самые электромагнитные взаимодействия между частицами в экспериментах, гравитация на них вообще не влияет настолько она слабая.В целом мы можем просто плюнуть на гравитацию и исследовать физику элементарных частиц без нее, но если мы все-таки хотим понять связанные с ней фундаментальные процессы, то это будет очень трудно сделать, поскольку она очень слабая. Разумеется, Эйнштейн предложил теорию гравитации, которая держится до сих пор, общую теорию относительности, но она в корне отличается от остальных трех взаимодействий, которые являются квантовыми взаимодействиями, основанными на симметриях. Теория Эйнштейна несколько связана с симметриями, но это не квантовое взаимодействие: она основана на геометрии и рассматривает пространство как натянутый лист, который искривляется под воздействием массы. Объекты в нем движутся по прямым линиям, но в искривленном пространстве-времени, поэтому Земля вращается вокруг Солнца: Солнце искривляет пространство-время так, что Земля думает, что движется по прямой, но на самом деле это не так. Она движется по прямой, но в искривленном пространстве-времени.Такова наша теория гравитации, и это фундаментальная теория, но не квантовая. Мы знаем, что если добраться до уровня мельчайших частиц, природа начнет вести себя по законам квантовой механики, а не по аналогиям классической физики, и вам нужно работать с квантовыми объектами. Атом не выглядит как Солнечная система и не может так выглядеть, он так вообще не будет работать, так что представление о том, что атом состоит из ядра и вращающихся вокруг него электронов, это классическая аналогия с вращением Земли вокруг Солнца. На самом деле все это так не работает: вам нужно рассматривать электрон и атомное ядро как квантовые объекты, чтобы они оставались стабильными на таких расстояниях.Так что мы не можем просто так взять гравитацию и надеяться, что она точно так же будет работать на высоких скоростях и сверхмалых расстояниях. Мы знаем, что она должна как-то подчиняться законам квантовой механики, но не знаем как. У нас есть несколько теорий, и ученые разрабатывают теорию квантовой гравитации и теорию струн, то есть пытаются понять, как можно объединить гравитацию и квантовую механику. Скорее всего, и то и другое нужно будет доработать. Вероятно, обе теории можно улучшить. Возможно, обе теории неверны, а все эти взаимодействия на самом деле не являются фундаментальными у них есть более глубокая внутренняя структура, которую мы пока не понимаем. Пока что мы этого не знаем.Этот вопрос тяжело изучать экспериментально, поскольку гравитация настолько слаба, но открытия наподобие гравитационных волн гигантский прорыв. Общая теория относительности предсказывает их существование, но то, что мы можем напрямую их наблюдать, это просто фантастика, потому что они как свет звезд, вызванный возмущениями электромагнитного поля, но только от возмущения пространства-времени. Они могут многое нам рассказать о черных дырах во Вселенной и как они себя ведут.Нам еще многое предстоит узнать, и есть надежда, что в какой-то момент мы получим ключ к разгадке того, как связаны квантовая механика и гравитация, либо из математики и теоретических выкладок, либо из экспериментальных данных. Уже сейчас прямо в этом здании развивают некоторые идеи на этот счет, поскольку сейчас мы намного лучше понимаем квантовую механику. Возможно, мы построим настолько точные квантовые системы, что они смогут зарегистрировать гравитационные волны, и, может быть, это приведет нас к возможности пронаблюдать квантовые эффекты гравитации. Может быть, для этого не нужен гигантский адронный коллайдер и прочие установки в таком духе: нам будет достаточно этих высокоточных квантовых систем. Но все это полностью неизведанная территория, Дикий Запад от физики. Мы вышли за пределы карты.
Источник: postnauka.ru
К списку статей
Опубликовано: 28.01.2021 12:01:54
0

Сейчас читают

Комментариев (0)
Имя
Электронная почта

Общее

Категории

Последние комментарии

© 2006-2021, umnikizdes.ru