Фундаментальные взаимодействия

Все известные силы в природе могут быть сведены к четырем фундаментальным взаимодействиям: сильному, электромагнитному, слабому и гравитационному, которые расположены в порядке убывания интенсивности. Квантами полей этих взаимодействий являются соответственно: глюоны (g), фотоны (g), массивные векторные бозоны (W ⁺, W ^– Z ⁰) и гипотетические гравитоны (G). Все они имеют нулевой или целый спин и относятся к фундаментальным бозонам. Взаимодействующие частицы (кварки, лептоны) испускают или поглощают реальные кванты, либо обмениваются виртуальными квантами соответствующих полей.

Виртуальные частицы – частицы, время жизни которых удовлетворяет условию

,

где E – энергия частицы. Это вакуумные частицы, они не могут быть зарегистрированы детекторами.

Фундаментальные взаимодействия характеризуются константами взаимодействия. Для электромагнитного взаимодействия такой константой является элементарный заряд, равный e = 1,6×10^–19 Кл, а для гравитационного взаимодействия – гравитационная постоянная G = 6,67×10^–11 м³/(кг×с²). Аналогичные константы были введены и для описания сильного и слабого взаимодействий. Эти константы, к сожалению, являются размерными, т.е. их величина зависит от выбора системы единиц. Поэтому в таком виде они не раскрывают соотношение между указанными взаимодействиями в природе. Этот недостаток можно устранить, если ввести безразмерные константы взаимодействия.

Для электромагнитного взаимодействия такой константой является постоянная тонкой структуры

.

Эта постоянная равна отношению скорости электрона на первой орбите к скорости света, а ее квадрат – удвоенному отношению кинетической энергии электрона к его энергии покоя в боровской модели атома водорода.

Роль заряда в гравитационном взаимодействии играет величина , поэтому безразмерная постоянная, характеризующая интенсивность гравитационного взаимодействия, равна

.

Эта постоянная на 36 порядков меньше чем постоянная тонкой структуры, что говорит о чрезвычайной малости гравитационных сил в сравнении с другими. Поэтому в атомной и ядерной физике гравитационными взаимодействиями можно пренебречь.

Аналогичным образом для сильного взаимодействия можно ввести эффективный заряд g_S. Константа сильного взаимодействия оказывается равной

.

В отличие от электромагнитного и гравитационного взаимодействий, радиусы действий которых стремятся к бесконечности, сильное взаимодействие является короткодействующим с радиусом действия порядка 10^–15 м. Так как , сильное взаимодействие примерно на два порядка интенсивнее электромагнитного.

Еще более короткодействующим, чем сильное, является слабое взаимодействие, радиус действия которого имеет величину порядка 10^–18 м. Эффективный заряд для слабого взаимодействия выражается через массу промежуточного бозона (m_W» 80 ГэВ) и постоянную Ферми, которая равна G_F = 1,43×10^–62 Дж×м³. Хотя константа слабого взаимодействия

больше постоянной тонкой структуры, из-за малого радиуса действия слабое взаимодействие на обычных ядерных расстояниях оказывается на несколько порядков слабее электромагнитного.

Физики всегда стремились все разнообразие сил в природе свести к минимуму. Это имеет место и по отношению к фундаментальным взаимодействиям. В последние десятилетия удалось объединить электромагнитное и слабое взаимодействия в электрослабое взаимодействие (А. Салам, С. Вайнберг, Дж. Глэшоу). Выводы этой теории находят подтверждение в эксперименте. Разработаны также различные варианты так называемой теории Великого объединения, которая объединяет в единое взаимодействие сильное и электрослабое. Проверка этих теорий находится пока за пределами экспериментальных возможностей, так как для такого объединения частицы должны иметь энергии быть порядка 10¹⁵ ГэВ. Предпринимаются попытки суперобъединения, т.е. объединения с указанными взаимодействиями гравитационного взаимодействия.

Принцип суперпозиции

Изучение процессов физики высоких энергий, в которых участвуют частицы и кванты полей, основано на том, что возможны любые превращения частиц, которые допускаются законами сохранения (энергии-импульса, момента импульса, электрического заряда и др.). Это есть, по сути, расширенная трактовка квантово-механического принципа суперпозиции, который на фундаментальном уровне выражает принцип материального единства мира. Мы знаем, что не только вещество может превращаться в другое вещество, но и поле может превращаться в вещество, а вещество в поле. Например, при аннигиляции электрона и позитрона образуется два гамма-фотона. При рассеянии гамма-фотона на частице возможно рождение электрон-позитронной пары.