Четыре фундаментальных взаимодействия

Фотон не обладает электрическим зарядом, и, вследствие этого, не может взаимодействовать с другими фотонами. В электромагнитном взаимодействии, кроме, фотона, принимают участие и другие фундаментальные частицы, при этом имеющие электрический заряд. Из них можно упомянуть кварки, электроны, мюоны, тау-частицы. Отличие электромагнитного взаимодействия от слабого и сильного взаимодействий заключается в дальности его действия. Данное взаимодействие действует на большие расстояния, нежели слабое и сильное взаимодействия, согласно закону, открытому в восемнадцатом веке Ш. Кулоном. Закон Кулона гласит, что сила взаимодействия направлена вдоль прямой, которая соединяет два точечных заряженных тела. Данная сила обратно пропорциональна квадрату расстояния между данными телами и прямо пропорциональна произведению модулей зарядов.

На той же основе действует и гравитационное взаимодействие, оно падает на больших расстояниях. Если сравнивать электромагнитное и гравитационное взаимодействие, то электромагнитное будет намного сильнее, однако в мегамире, в масштабах Вселенной оно не действует. Такая ситуация сложилась потому, что материя в космических масштабах имеет нейтральный электрический заряд, то есть повсюду во Вселенной есть равные количества положительных и отрицательных зарядов. Электромагнитное взаимодействие может описываться как классической, то есть неквантовой электродинамикой, так и квантовополевой теорией электромагнитных взаимодействий.

Сильное ядерное взаимодействие является фундаментальным взаимодействием, открытым в двадцатом веке, при развитии ядерной физики. Оно существует внутри атомных ядер, действует между нуклонами, из которых состоит ядро, и кварками в адронах. Нуклоны, как уже отмечалось в данной работе, это общее название для протонов и нейтронов, в рамках сильного взаимодействия. Так как протон заряжен положительно, а нейтрон не имеет заряда, разница между протоном и нейтроном рассматривается только в теории электромагнитного взаимодействия. Кварки – это фундаментальные частицы, обладающие электрическим зарядом и не наблюдающиеся в свободном состоянии. Из кварков состоят адроны. Они, в свою очередь, являются элементарными частицами, подверженными сильному воздействию, например, нуклон относится к одному из классов адронов – барионам, то есть имеет специфический кварковый состав.

Сильное взаимодействие было открыто в первой половине двадцатого века, когда стало ясно, что необходимо истолковать силу, связывающую нуклоны в ядрах. Ни гравитационное, ни электромагнитное взаимодействия не подходили для объяснения данного явления. В результате была выстроена теория, согласно которой взаимодействие между нуклонами происходило из-за обмена пи-мезонами, или пионами. Впоследствии существование пионов подтвердилось экспериментально.

В данной теории взаимодействие между нуклонами можно было описать как передачу пионов от одного нуклона к другому, так же, как при электромагнитном взаимодействии осуществляется передача фотонов. Эта теория описывает явления, наблюдающиеся при столкновениях нуклонов, связанных состояниях частиц, столкновении нуклонов и пионов. В данном случае связанным состоянием называется такое состояние частиц, при котором их движение происходит в ограниченном пространстве в течение продолжительного времени в рамках данной системы. В качестве примера связанных состояний можно привести объекты из мегамира, макромира и микромира: галактики, звездные системы, молекулы, атомы, атомные ядра. Выдвигаются предположения, что многие элементарные частицы являются связанным состоянием других частиц.

Сильное взаимодействие получило такое название потому, что численный коэффициент, необходимый для эффективного обмена пионами, оказался весьма большим по сравнению с таким же коэффициентом, определяющим электромагнитное взаимодействие. Во второй половине двадцатого века было открыто множество элементарных частиц, некоторые из которых обладали весьма небольшим периодом существования. Все эти частицы оказались подверженными сильному взаимодействию.

Во второй половине двадцатого века было открыто большое количество частиц, не обладавших стабильностью и быстро прекращавших существование. Все эти частицы были подвержены сильному взаимодействию, такому же, какое существует в ядре атомов. Среди этих частиц, подверженных сильному взаимодействию, были как мезоны, так и барионы. Данные частицы обладали различными характеристиками, и природа их появления в микромире не была ясна. По аналогии с пионами и нуклонами была построена модель взаимодействия внутри данных частиц. В данной модели каждому типу распада соответствовала своя постоянная величина взаимодействия. Некоторые из данных зависимостей истолковать не удалось, и они были восприняты как аксиомы. Естественно, что слишком большое число аксиом не удовлетворяло учёных, занимавшихся этими обнаруженными адронами.

Постепенно учёные пришли к выводу, что адроны создаются по чётким правилам. Степени свободы, которые задействуются при создании адронов, получили название кварков. Затем было открыто, что кварки – это реальные частицы, из которых состоят адроны, причём кварки определяют характеристики адрона. Однако, при всём этом, сильное взаимодействие не выпускало кварки из адронов. Данное явление, заключающееся в том, что кварки не могут ни при каких условиях покинуть адрон, получило название конфайнмента.

Смысл конфайнмента, или, в переводе с английского, удержания, состоит в том, что нельзя получить и удержать кварки в свободном состоянии. В экспериментальных условиях можно рассматривать только адроны, состоящие из кварков. Адроны подразделяются на два вида. Первый вид, мезоны, состоит из двух кварков, второй вид, барионы – из трёх кварков. Кварки внутри адрона притягиваются с помощью сильного взаимодействия, и переносчиками в данном случае выступают глюоны, частицы, ответственные за сильное взаимодействие так же, как фотоны отвечают за электромагнитное взаимодействие. Слово «глюон» слово происходит от английского «glue» – клей. Кварки обладают следующим парадоксальным с точки зрения макромира свойством: чем дальше они друг от друга расположены, тем сильнее притягиваются друг к другу. Данное явление будет объяснено в этой работе при разборе квантовой хромодинамики – основной на сегодняшний день теории, объясняющей сильные взаимодействия. На данный момент конфайнмент ещё математически не доказан, и его доказательство является одной из первоочерёдных задач науки.

Квантовая хромодинамика представляет собой теорию сильного взаимодействия, которому подвержены кварки. Как аксиома в данной теории принимается то, что каждый кварк обладает внутренним квантовым числом, задающим состояние частицы, которое также называется «цветом». Цвет – это характеристика кварков и глюонов, их заряд, который также называют цветовым, который, подобно электрическому заряду, определяет их взаимодействие. Сильное взаимодействие подразумевает, в случае с мезонами, притяжение двух частиц с разными цветами, то есть цветом и антицветом, или, в случае с барионами, комбинацией трех видов кварков, в сумме дающих «белый» цвет. Из-за данной аналогии и был выбран данный термин, на первый взгляд не подходящий для описания частиц и процессов в микромире.

Помимо цвета, кваркам приписываются определённые вектора, относящиеся к состоянию в трёхмерном, комплексном пространстве цвета. В науке постулируется также инвариантность, или неизменяемость, относящаяся к сильному взаимодействию среди кварков. Благодаря этому возникает устойчивое калибровочное поле, описывающее кварковые взаимодействия. Квантами, то есть неделимыми частицами данного поля являются уже упоминавшиеся в данной работе глюоны, частицы, осуществляющие сильное взаимодействие, так же, как фотоны являются квантами электромагнитного взаимодействия, а гипотетические гравитоны – гравитационного.

Поле сильного взаимодействия, которое необходимо проквантовать для получения глюонов, является калибровочным. Основным понятием, связанным с калибровочным полем, является калибровочная инвариантность. Согласно ей, неизменность порядка преобразований среди элементарных частиц служит основой для описания стандартной модели, включающей электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия. Суть данной теории заключается в том, что поля, в частности, квантовое и электромагнитное, уравновешиваю, или калибруют друг друга, внося инвариантность, то есть неизменяемость и стабильность в теоретические прогнозы относительно глобальных и локальных калибровочных преобразований.

Инвариантность относительно вращений кварков в цветовом пространстве истолковывается в современной науке следующим образом: сильное взаимодействие можно описать как калибровочное поле. В случае с электромагнитным и слабым взаимодействиями, калибровочное поле описывается как проявление элетрослабого взаимодействия. Лишь одно фундаментальное взаимодействие, гравитационное, имеет особенности, как калибровочное поле. Общая теория относительности является теорией, описывающей гравитационное калибровочное поле, но положение осложняется невозможностью квантования гравитации, потому что взаимодействие происходит не только в пространстве, пусть даже в пространстве микромира, но в пространстве-времени.

Возвращаясь к проблемам сильного взаимодействия, следует отметить, что его описание тоже имеет свои сложности. Глюоны, частицы, обеспечивающие сильное взаимодействие между кварками, так же, как и кварки, имеют цвет и вовлечены в цветовые взаимодействия. В отличие от квантовой электродинамики, где фотон не имеет электрического заряда, а значит, одни фотоны не могли взаимодействовать с другими, подобные взаимодействия между глюонами усложняют данное взаимодействие. Антиэкранировка заряда, создающая конфайнмент, с другой стороны, обеспечивает асимптотическую свободу кварков, сильно приближенных друг к другу, то есть их при определённых условиях можно считать невзаимодействующими. В реальном мире, в результате сильного взаимодействия, наблюдаются комбинации кварков, не имеющих цвета, а значит, никак не удерживающихся взаимодействием глюонов. Именно эти комбинации и называются адронами, которые взаимодействуют друг с другом с помощью пионов, при определенных условиях – низких энергиях. Такое взаимодействие учёные называют остаточным сильным взаимодействием. При условии высокоэнергетических процессов, таких, как столкновение адронов, использование квантовой хромодинамики изначально являлось затруднительным, однако на данный момент данные задачи по большей части решаются в рамках данной теории.

Слабым взаимодействием, ещё одним из четырёх фундаментальных взаимодействий описывается так называемый бета-распад ядра. При бета-распаде, который можно рассматривать как один из видов радиоактивного распада, заряд ядра атома изменяется на единицу, и ядро может испустить бета-частицу, то есть позитрон или электрон. Причём в случае излучения электрона бета распад обозначается как бета-минус-распад, в случае излучения позитрона – бета-плюс-распад, также к случаю бета-распада относится так называемый электронный захват, когда ядро атома присоединяет его электрон. Определённые частицы испускается во всех случаях, однако следует учесть, что в случае бета-плюс-распада и электронного захвата это нейтрино, а в случае бета-минус-распада – антинейтрино.

Слабое взаимодействие получило своё название потому, что оно менее интенсивное, нежели сильное и электромагнитное взаимодействия. Однако, слабое взаимодействие сильнее гравитационного, при этом оно действует на короткие дистанции, которые меньше диаметра атомного ядра. Нейтрино, выделяемые при слабом взаимодействии, приобретают очень большую проникающую способность. Именно слабое взаимодействие позволяет многим фундаментальным частицам, таким, например, как электроны. нейтрино и кварки, взаимодействовать, обмениваться квантовами числами, энергией, массой, электрическими зарядами, переходя друг в друга. Частицами, которые отвечают за слабое взаимодействие, подобно фотонам для электромагнитного взаимодействия и глюонам для сильного взаимодействия, являются бозоны особого вида (Z- и W- бозоны).