Фундаментальні сили в природі
Гравітаційна взаємодія властиво всім тілам Всесвіту, проявляючись у вигляді сил всесвітнього тяжіння. Ці сили обумовлюють існування зірок, планетних систем і т.п. Гравітаційна взаємодія гранично слабке і в світі елементарних частинок при звичайних енергіях безпосередній ролі не грає. Тут гравітація стає істотною лише при енергіях W
10 28 еВ, які відповідають відстаням R
Однак, на великих відстанях гравітація стає домінуючим взаємодією, можна сказати, панівною силою у Всесвіті.
Загальновизнано, що гравітаційна взаємодія проявляється в тяжінні тел один до одного, але останнім часом, виникли і альтернативні теорії, що описують гравітаційна взаємодія в формі взаємного відштовхування тел.
Закон всесвітнього тяжіння дозволяє з дуже високою точністю описувати рух планет Сонячної системи. Однак, в разі сильних гравітаційних полів виявляються відхилення між спостережуваним в дійсності і передбачали відповідно до закону, рухами небесних тіл. Найвідоміший приклад такого відхилення - зміщення перигелію Меркурія.
Більш точна теорія тяжіння була описана в 1915 р Альбертом Ейнштейном в створеній ним загальної теорії відносності (ЗТВ). Гравітацію ОТО описує як зміна геометричних властивостей простору-часу під дією знаходиться в просторі матерії.
До сих пір гравітація залишається найбільшою загадкою для людини, природа її не ясна, ми можемо лише описувати її дію різними теоріями, приймаючи як даність. Втім, це ж можна сказати і про багатьох інших фізичних явищах.
В електромагнітній взаємодії,
найбільш відомому і найбільш вивченому, безпосередньо беруть участь тільки електрично заряджені частинки і фотони. Одне з його проявів - кулонівських сили, що зумовлюють існування атомів. Саме електромагнітне взаємодія відповідально за переважну більшість макроскопічних властивостей речовини. Воно ж відповідально за процеси народження і анігіляції електрон-позитронної пари, за розпад нейтрального півонії, за комптонівське розсіювання, за процеси пружного розсіювання електронів на ядрах, протонах, на інших електронах і т. Д.
притаманне всім частинкам, крім фотонів. Найвідоміше його прояв - бета-перетворення атомних ядер. Воно ж забезпечує нестабільність багатьох елементарних частинок, наприклад нейтрона. Прикладами слабких процесів служать також розпади мюонів і півоній. В останні роки інтенсивно вивчаються такі слабкі процеси, як розсіювання нейтрино і антинейтрино на атомних ядрах, протонах і електронах. Зауважимо, що в цьому відношенні нейтрино - унікальні частки, так як вони можуть брати участь тільки в слабкій взаємодії (якщо не брати до уваги гравітаційного).
властиво часткам, званим адронами [hadros (грец.) - сильний, масивний, великий], до числа адронів належать, зокрема, протон р і нейтрон п. Найбільш відоме його прояв - ядерні сили, що забезпечують існування атомних ядер. Приклади процесів, що викликаються сильною взаємодією - реакції народження антипротона і антинейтрона, реакції народження дивних частинок.
Сильна взаємодія, є джерелом величезної енергії. Найбільш характерний приклад енергії, що вивільняється сильним взаємодією, - Сонце. У надрах Сонця і зірок безупинно протікають термоядерні реакції, викликані сильним взаємодією. Сильна взаємодія проявляється на відстані, що визначається розмірами ядра, тобто приблизно 10 -13 см.
Всі фундаментальні фізичні взаємодії розрізняються интенсивностями, радіусами дії і характерними часом.
Однак Всесвіт, яку ми спостерігаємо сьогодні за допомогою новітніх методів, сильно відрізняється від того небесного механізму, який строго регулювався ньютоновой гравітацією. К метагалактіческом океан, населений такими «монстрами», як, наприклад, пульсари і чорні діри, мало схожий на розмірений рух подібного небесного механізму. Відповідно і намалювати картину Всесвіту за допомогою ньютоновой моделі стає неможливим. Розуміння того, як саме гравітація управляє світом (I), досягається за допомогою релятивістської космології, заснованої на загальній теорії відносності.
У той час, коли Ейнштейн починав будувати цю знамениту теорію, оточуючий нас світ був, як здавалося фізикам, сповнений різних сил: хімічних, електромагнітних, капілярних, пружних, сил зчеплення і інших. Були також відомі два силових поля - гравітаційне (I) і електромагнітне (II). Ці поля у багатьох відношеннях нагадували один одного і все ж залишалися дуже різними, зокрема, підпорядковувалися різним математичним законам. Рівняння Максвелла (II, I), якими описується електромагнітне поле, абсолютно не враховують присутності гравітації, і ця обставина протягом довгих років дивувало Ейнштейна. Чому для двох найважливіших полів повинні існувати два різних набору рівнянь? Чи не може природа бути влаштована так, що електромагнітне і гравітаційне поля-просто різні прояви одного і того ж об'єднаного поля, подібно до того, як електромагнітне поле Фарадея-Максвелла об'єднало два природних явища, які здавалися абсолютно незалежними, - електрику і магнетизм? Єдина теорія всіх сил і полів стала мрією Ейнштейна відразу ж після завершення ним загальної теорії відносності.
Сьогодні є надія, що ця мрія поступово втілиться в реальність. Список фундаментальних сил і полів безперервно змінювався, починаючи з робіт Нільса Бора, по суті, об'єднали хімічне і фізичне взаємодії. У 20-х роках ХХ століття стало остаточно ясно, що більшість сил, з якими фізики і хіміки стикалися в лабораторних дослідах, мають електромагнітне походження. Електромагнетизм вельми багатогранний: на малюнку показані різні його прояви - від електромотора (II, 4) до лазера (II, 5) і радіотелескопу (II, 6). Світло, що володіє абсолютно винятковим значенням для виживання людини та інших біологічних видів, теж має електромагнітну природу - він пов'язаний з випромінюванням електромагнітних хвиль. На малюнку (II, 2) показаний процес класичного електромагнітного випромінювання, що випускається зарядженою часткою. При прискоренні заряду силові лінії супроводжуючого його поля ламаються, не встигаючи перебудуватися слідом за зміною швидкості частинки, і відриваються від неї. У квантовій теорії електромагнітного поля такі процеси, як випромінювання і розсіювання заряджених частинок друг на друга, пов'язані з обміном так званими віртуальними фотонами (від латинського «virtue» - можливість) і описуються наочними діаграмами, винайденими видатним американським теоретиком Річардом Фейнманом (II, 3) .
Квантова електродинаміка виявилася настільки успішною і давала таке гарне збіг обчислень з досвідом, що стала моделлю для ядерних взаімодействій- слабкого (III) і сильного (IV). Слабка взаємодія вперше було помічено в 20-х роках. Виявилося, що атоми, які випромінювали бета-частинки - швидкі електрони, незрозумілим чином втрачали енергію. Тоді швейцарський теоретик Вольфганг Паулі припустив, що існує невидима частка, яка забирає відсутню енергію. Через рік Енріко Фермі назвав частку-невидимку «нейтрино». Виявити її виявилося непросто: вона була знайдена лише в 1956 році. Найважливіша реакція за участю нейтрино - розпад нейтрона, як вільного, так і укладеного всередині ядра (III). Вільний нейтрон розпадається на електрон, протон і антинейтрино приблизно за 12 хвилин. Цей процес називають бета-розпадом, і він відбувається за участю нещодавно виявленого (в 1983 році) W-бозона, який став символом удачі об'єднаної теорії електромагнітного і слабкої взаємодій.
Якщо радіус дії сил тяжіння і електромагнітних сил практично нескінченний, то для слабкої взаємодії він настільки малий, що до сих пір точно не визначений. Його очікувана величина (близько 10 -15 см) на два порядки менше радіуса ядра. Тому, наприклад, слабка взаємодія між ядрами двох сусідніх атомів (а вони не можуть зблизитися на відстань, меншу 10 -8 см) абсолютно нікчемною. Але, незважаючи на це, слабка взаємодія відіграє важливу роль в природі. Якби, скажімо, вдалося «вимкнути» слабку взаємодію, то згасло б Сонце, та й багато інших зірок, так як стала б неможливою послідовність термоядерних реакцій за участю вуглецю, азоту, водню і фтору в якості каталізаторів, яка призводить до утворення гелію з водню (цикл Бете).
Інша ядерна взаємодія - сильне - пов'язує між собою нуклони в ядрі (IV). Існуюча сьогодні теорія сильної взаємодії, так само, як і слабкого, побудована за зразком квантової електродинаміки. Теорія ця зветься квантової хромодинаміки, і приставка «хромо» означає, що сили діють між неелектричних, а колірними зарядами. Однак сам механізм передачі сильного взаємодії такий же, як і при передачі електромагнетизму: взаємодія між двома зарядженими частинками відбувається за допомогою обміну деякої третьої часткою. Правда, при сильній взаємодії хмара віртуальних частинок щільно сконцентрована поблизу взаємодіючих нуклонів, і залежність внутрішньоядерних сил від відстані визначається потенціалом Юкави (по імені японського теоретика, вперше який запропонував обмінний механізм). Саме сильна взаємодія відповідально за різні ядерні процеси, при яких звільняється величезна кількість енергії.
Таким чином, наш Всесвіт формують сили всього чотирьох типів. Масштаб явищ, обумовлених кожною фундаментальної силою, залежить від радіуса її дії. Тяжіння проявляється головним чином в астрономічному і космологічної масштабах, електромагнітні сили - в так званому макросвіті, тобто у світі людської діяльності, від розмірів Землі до відстаней порядку атомних. Короткодіючі ядерні сили, якими б великими і важливими вони не були, абсолютно не беруть участь в явищах на таких масштабах.
А ось на відстанях настільки незначних, що атомне ядро в порівнянні з ними - все одно, що Галактика в порівнянні зі звичайними людськими розмірами, в гру знову вступає тяжіння. На таких відстанях (порядку 10 -33 см) сама геометрія нашого світу ніколи не залишається в спокої - вона безперервно флуктуірует, «дихає». Але геометрія світу, його просторово-часова кривизна - це і є гравітація. Тому у відомого американського фізика Шелдона Глешоу чотири фундаментальні сили, які формують всю нашу Всесвіт, асоціюються зі змією, що кусає себе за хвіст.
Але в самому початку 1986 року група американських фізиків висловила припущення про існування ще однієї сили, п'ятої. яка нітрохи не менше фундаментальна, ніж традиційний квартет. Нова сила, якби вона справді існувала, приводила б до дивних явищ: наприклад, завдяки їй яблуко в безповітряному просторі, де «вимкнено» опір середовища, падало б на землю швидше, ніж чавунна гиря. Крім того, якщо в природі є така сила, то, строго кажучи, не є справедливими ні закон всесвітнього тяжіння Ньютона, ні ейнштейнівської принцип еквівалентності, який лежить в основі загальної теорії відносності.
С. Панкратов "Наука і життя" №5-1987.
>>> Читайте далі: Експериментальні підтвердження ОТО Ейнштейна.