Сила взаимодействия.
В литературе часто встречается утверждение, что сила взаимодействий убывает в последовательности: сильное ¾® электромагнитное ¾® слабое ¾® гравитационное. Однако это действительно так лишь «с точки зрения электрона». На самом же деле понятие «сила взаимодействия» относительно и зависит от рассматриваемых масштабов. Выше, например, объяснялось, что слабое ядерное взаимодействие не столько слабо, сколько имеет слишком короткие руки.
Гравитационным взаимодействием можно с очень хорошей точностью пренебречь, рассматривая процессы в микромире, поскольку массы элементарных частиц слишком малы. Однако в мегамире, мире планет, звезд и галактик, оно является определяющим.
Электромагнитное взаимодействие преобладает в области масштабов от поперечника атома (10-10 м) до высоты гор (несколько километров). Именно силы электромагнитного происхождения связывают электроны и ядра в атомы, атомы — в молекулы, молекулы — в тела. Известные нам со школьной скамьи сила упругости, выталкивающая сила Архимеда, сила трения — не что иное, как результат электромагнитных взаимодействий между молекулами, составляющими тела.
Стабильность атомных ядер и частиц, составляющих ядра, — протонов и нейтронов, — обеспечивается сильным ядерным взаимодействием. Оно действительно является наиболее сильным в масштабах менее 10-15 м.
Замечательным достижением естествознания второй половины XX века стало выяснение того факта, что по мере роста энергии взаимодействующих частиц значимость («сила») различных взаимодействий выравнивается, так что они становятся неразличимыми. Установлено, что при энергиях порядка энергии покоя частиц, переносящих слабое взаимодействие, последнее, вместе с электромагнитным, следует рассматривать уже как единое электрослабое взаимодействие (А. Салам, С. Вайнберг и Ш. Глэшоу, Нобелевская премия 1979 года). У физиков нет больших сомнений в том, что при еще более высоких энергиях исчезает различие между электрослабым и сильным ядерным взаимодействием — дискуссии идут вокруг деталей этого Великого объединения. Наконец, в дальней перспективе просматривается суперобъединение всех четырех фундаментальных взаимодействий.
3.3.4. Nequaquam vacuum[16]
Словари определяют вакуум как пустоту, лишенное материи пространство. Это понимание восходит к противопоставлению материи—атомов и пустоты—небытия у первых атомистов. Однако с высоты современных знаний, пространство, лишенное материи, — нонсенс, не отвечающий реальности. При разработке квантово-полевых представлений о взаимодействии выяснилось, что для испускания и поглощения виртуальных частиц не обязательно присутствие частиц реальных: виртуальные частицы могут возникать, в буквальном смысле слова, из ничего и исчезать без следа. Как ни странно, это не противоречит закону сохранения энергии: закон, если быть точным, утверждает, что невозможно наблюдать процессы, не сохраняющие энергию, но виртуальная частица потому и виртуальная, что прямо наблюдать ее мы не можем. Любая попытка «поймать» виртуальную частицу, вытащить ее «за ушко, да на солнышко», приводит к передаче ей энергии, достаточной для законного полноценного существования. Таким образом, даже если удалить из некоторой области пространства все реальные частицы, там все равно будут рождаться и уничтожаться частицы виртуальные. Вакуум представляет собой не пустоту и покой, а беспрерывное кипение виртуального океана! На языке волн и полей эта картина может быть описана как принципиально неустранимые хаотические колебания всех физических полей в «пустом пространстве». Эти колебания принято называть нулевыми. Нулевые колебания, например, электромагнитного полядолжны приводить к тому, что стрелка чувствительного к нему прибора никогда не сможет упокоиться на нулевой отметке: даже в полном отсутствии источников поля она будет беспорядочно плясать вокруг нуля. Нулевые колебания (или, на корпускулярном языке, беспрерывное рождение и уничтожение виртуальных частиц) имеют наблюдаемые последствия. Во-первых, виртуальные частицы могут быть превращены в реальные. Подключим к батарее конденсатор, между обкладками которого нет ничего, кроме вакуума. Виртуальный электрон, возникнув, будет разгоняться по направлению к положительной обкладке, а его античастица, положительно заряженный позитрон, — к отрицательной. Если напряжение между обкладками настолько велико, что за время жизни виртуального электрона он успевает набрать необходимую энергию, он превратится в реальный электрон. Для сохранения заряда при этом рождается и позитрон, так что все выглядит как рождение электрон-позитронных пар «из пустоты[17]». Описанный эффект наблюдался экспериментально. Во-вторых, частота рождения виртуальных частиц в данной области зависит от физических условий в ней. Вблизи положительной частицы виртуальные электроны рождаются охотнее и чаще, чем вблизи отрицательной. Этот эффект приводит к тому, что каждая заряженная частица оказывается окружена как бы облаком (физики говорят: «шубой») виртуальных частиц противоположного знака. В результате электроны в атоме притягиваются к ядру не так сильно, как если бы вакуум был просто пустотой. Это, в свою очередь, проявляется в спектрах излучения атомов: спектральные линии слабо, но заметно сдвигаются от своих «законных» положений. Величину сдвига, вызванного влиянием виртуальных частиц, для атома водорода рассчитал американский физик Лэмб. Эксперименты подтвердили предсказанное значение лэмбовского сдвига спектральных линий. Последнее свидетельство существования виртуальных частиц, которое мы рассмотрим, — эффект Казимира: между любыми двумя близко расположенными пластинами возникает слабая, но измеримая сила притяжения. Объясняется это тем, что в любом ограниченном пространстве виртуальные частицы рождаются реже, и потому давление газа виртуальных частиц на пластины снаружи (давление «пустоты»!) не уравновешивается давлением изнутри. Существование и величина эффекта Казимира также подтверждены экспериментально. Таким образом, вакуум оказывается отнюдь не безжизненной пустотой. Он обладает сложной и динамичной структурой; он взаимодействует с веществом. Имеются наблюдательные и теоретические указания на то, что вакуум обладает определенной энергией, причем возможны различные состояния вакуума, в которых его свойства и энергия различаются (п. 5.1.4). Все это заставляет сделать вывод, что вакуум, наряду с веществом, состоящим из частиц, и полем, переносящим взаимодействия между частицами, Итак, развитие науки подтвердило правоту как древнегреческих атомистов («все состоит из атомов»), так и их оппонентов во главе с Аристотелем, отрицавших существование в мире абсолютной пустоты.
является формой существования материи.
Дата добавления: 2015-01-13; просмотров: 1008;