Сопоставление фундаментальных взаимодействий.
«Великое объединение»
Крупными достижениями физики 70-х годов явилось расщепление уровня элементарных частиц на уровень фундаментальных частиц и уровень составных частиц (адронов), а также установление единого механизма фундаментальных взаимодействий: все фундаментальные взаимодействия имеют обменный характер.
С точки зрения теорий полей все процессы взаимодействия рассматриваются как обмен реальными и виртуальными частицами. Каждому типу взаимодействия соответствует своё поле, имеющее дискретную структуру и определённые частицы - кванты этого поля, которые являются переносчиками взаимодействий. Так, квантами электромагнитного поля являются фотоны; квантами поля сильного взаимодействия - глюоны, квантами поля слабого взаимодействия - тяжёлые векторные бозоны ( 
и 
), квантами гравитационного поля - гравитоны (предположительно!). Все эти частицы, имеющие целый спин, называются фундаментальными бозонами. Взаимодействие кварков, несущих цветовые заряды, осуществляется путём обмена глюонами (от англ. «glue» - клей). Имеется восемь типов глюонов, они, также как и кварки, обладают цветовыми зарядами и взаимодействуют между собой.
Фундаментальные взаимодействия различаются интенсивностями a, радиусами действия R и характерными временами t.
Интенсивность ai данного взаимодействия характеризуется некоторой безразмерной величиной (константной связи), построенной из соответствующего заряда (или его аналога) и фундаментальных постоянных с и 
. Константа связи характеризует вероятность процессов, вызванных данным взаимодействием. Для электромагнитного взаимодействия такой величины служит 
(численно равна постоянной тонкой структуры - универсальной константе, определяющей спин-орбитальное расщепление атомных спектров). Для сильного взаимодействия 
( 
- «сильный заряд»), для слабого 
( 
- «слабый заряд», 
=1,4×10-49 эрг×см3 - константа Ферми), для гравитационного 
( 
- «гравитационный заряд», G - гравитационная постоянная, m - масса частицы).
При энергиях ~1 ГэВ интенсивности взаимодействия протонов, например, соотносятся так:
.
Таким образом, среди взаимодействий, которые существенны в мире элементарных частиц, слабое - наименее интенсивное, оно слабее сильного в 1010 раз. С ростом энергии относительная роль различных взаимодействий - меняется.
Радиус R взаимодействия связан с зависимостью энергии взаимодействия от расстояния между частицами. Электромагнитные и гравитационные силы с ростом расстояния между частицами медленно убывают по закону 
, это дальнодействующие силы: 
и 
. Для сильного и слабого взаимодействий энергия убывает с расстоянием очень быстро, поэтому они проявляются лишь на малых расстояниях: 
м, 
м.
Понятие характерного времени взаимодействия t условно. Например, ts сильного взаимодействия по порядку величины совпадает со средним временем жизни самых нестабильных частиц (резонансов), подверженных сильным распадам: ts ~ 10-23 с. С другой стороны такое значение ts можно получить делением 
(с - скорость передачи взаимодействия), то есть t имеет смысл времени, за которое квант поля проходит расстояние R между взаимодействующими частицами.
При такой трактовке значения характерных времен фундаментальных взаимодействий оказываются следующими: ts~10-23 c, te~10‑20 c, tw~10-13 c, tG ~ ¥ (?).
Таким образом, в мире элементарных частиц сильное взаимодействие самое «быстрое», а слабое - самое «медленное».
В теориях сильного и слабого взаимодействий доказывается, что константы сильного (as) и слабого (aw) взаимодействий в отличие от константы (aе) электромагнитного взаимодействия не растут, а уменьшаются с ростом энергии. При энергии ЕВ ~ 1014¸1015 ГэВ. Все три константы становятся равными друг другу. Эта энегргия называется энергией «великого объединения». При Е>ЕВ эти три взаимодействия описываются единой константой, т.е. имеют общую природу.
Существуют также теоретические схемы, в рамках которых объединеяются все фундаментальные взаимодействия: так называемые схемы суперобъединения. Будущее покажет, каким образом гравитационное взаимодействие укладывается в общую схему сил, действующих между элементарными частицами. По этой причине очень важно подтверждать наши представления новыми экспериментами при очень высоких энергиях. Для этого в разных частях света планируется строительство новых ускорителей (LEP в Западной Европе, HERA в Гамбурге), с помощью которых можно будет ускорять протоны, антипротоны, электроны или позитроны до невиданных пока что энергий.
Только путем интенсивного исследования свойств и структуры материи в нашей Вселенной станет возможным разрешить грядущие общечеловеческие проблемы, например энергетическую.
Литература:
1. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики: Учебное пособие для втузов. – М.: Высшая школа, 1989.
2. Мухин К.Н. Занимательная ядерная физика. – 3-е изд., - М.: Энергоатомиздат, 1985.
3. Фритш Г. Основа нашего мира: Перевод с нем. – М.: Энероатомиздат, 1985.
4. Фрауэнфельдер Г., Хенли Э. Субатомная физика: - Перевод с англ. – М.: Мир, 1979.
5. Широков Ю.М., Юдин Н.П. Ядерная физика: Учебн. пособие. – М.: Наука, 1972.
6. Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс общей физики: Т.З. – М.: Наука, 1970.
Дата добавления: 2015-07-24; просмотров: 1345;