На переднем крае физики микромира

2.2. Слабое взаимодействие.

К выявлению существования  слабого взаимодействия физика продвигалась медленно. Слабое взаимодействие ответственно за распады частиц; и поэтому с  его проявлением столкнулись  с открытием радиоактивности  и исследованием бета-распада. Это  взаимодействие является наиболее слабым из фундаментальных взаимодействий, экспериментально наблюдаемых в  распадах элементарных частиц, где  принципиально существенными являются квантовые эффекты. Напомним, что  квантовые проявления гравитационного  взаимодействия никогда не наблюдались. Слабое взаимодействие выделяется с  помощью следующего правила: если в  процессе взаимодействия участвует  элементарная частица, называемая нейтрино (или антинейтрино), то данное взаимодействие является слабым. Типичный пример слабого  взаимодействия - это бета-распад нейтрона:

                  n → p + e^- + V_e ,

где n - нейтрон, p - протон, e^- - электрон, ν_e - электронное антинейтрино. Следует, однако, иметь в виду, что указанное выше правило совсем не означает, что любой акт слабого взаимодействия обязан сопровождаться нейтрино или антинейтрино. Известно, что имеет место большое число безнейтринных распадов. В качестве примера можно отметить процесс распада лямбда - гиперона D на протон p и отрицательно заряженный пион - p ^-. По современным представлениям нейтрон и протон не являются истинно элементарными частицами, а состоят из элементарных частиц, называемых кварками.

Интенсивность слабого взаимодействия характеризуется константой связи  Ферми GF. Константа GF размерна. Чтобы  образовать безразмерную величину, необходимо использовать какую-нибудь эталонную  массу, например массу протона mp. Тогда  безразмерная константа связи будет  GFmp2 ~ 10-5 .

Видно, что слабое взаимодействие гораздо интенсивнее гравитационного. Слабое взаимодействие в отличие  от гравитационного является короткодействующим. Это означает, что слабое взаимодействие между частицами начинает действовать, только если частицы находятся достаточно близко друг к другу. Если же расстояние между частицами превосходит  некоторую величину, называемую характерным  радиусом взаимодействия, слабое взаимодействие не проявляет себя. Экспериментально установлено, что характерный радиус слабого взаимодействия порядка 10^-15 см, то есть слабое взаимодействие, сосредоточен на расстояниях меньше размеров атомного ядра.

Почему можно говорить о слабом взаимодействии как о  независимом виде фундаментальных  взаимодействий? Ответ прост. Установлено, что есть процессы превращений элементарных частиц, которые не сводятся к гравитационным, электромагнитным и сильным взаимодействиям. Хороший пример, показывающий, что  существуют три качественно различных  взаимодействия в ядерных явлениях, связан с радиоактивностью. Эксперименты указывают на наличие трех различных  видов радиоактивности: α-, β- и γ - радиоактивных распадов. При этом α-распад обусловлен сильным взаимодействием, γ-распад - электромагнитным. Оставшийся β-распад не может быть объяснен электромагнитным и сильным взаимодействиями, и мы вынуждены принять, что есть еще одно фундаментальное взаимодействие, названное слабым. В общем случае необходимость введения слабого взаимодействия обусловлена тем, что в природе происходят процессы, в которых электромагнитные и сильные распады запрещены законами сохранения.

 Хотя слабое взаимодействие  существенно сосредоточено внутри  ядра, оно имеет определенные  макроскопические проявления. Как  мы уже отмечали, оно связано  с процессом β - радиоактивности. Кроме того, слабое взаимодействие играет важную роль в так называемых термоядерных реакциях, ответственных за механизм энерговыделения в звездах.

Удивительнейшим свойством  слабого взаимодействия является существование  процессов, в которых проявляется  зеркальная асимметрия. На первый взгляд кажется очевидным, что разница между понятиями левое и правое условна. Действительно, процессы гравитационного, электромагнитного и сильного взаимодействия инвариантны относительно пространственной инверсии, осуществляющей зеркальное отражение. Говорят, что в таких процессах сохраняется пространственная четность P. Однако экспериментально установлено, что слабые процессы могут протекать с не сохранением пространственной четности и, следовательно, как бы чувствуют разницу между левым и правым. В настоящее время имеются твердые экспериментальные доказательства, что не сохранение четности в слабых взаимодействиях носит универсальный характер, оно проявляет себя не только в распадах элементарных частиц, но и в ядерных и даже атомных явлениях. Следует признать, что зеркальная асимметрия представляет собой свойство Природы на самом фундаментальном уровне.

Не сохранение четности в  слабых взаимодействиях выглядело  настолько необычным свойством, что практически сразу после  его открытия теоретики предприняли  попытки показать, что на самом  деле существует полная симметрия между  левым и правым, только она имеет  более глубокий смысл, чем это  ранее считалось. Зеркальное отражение  должно сопровождаться заменой частиц на античастицы (зарядовое сопряжение C), и тогда все фундаментальные взаимодействия должны быть инвариантными. Однако позднее было установлено, что эта инвариантность не является универсальной. Существуют слабые распады так называемых долгоживущих нейтральных каонов на пионы , , запрещенные, если бы указанная инвариантность реально имела место. Таким образом, отличительным свойством слабого взаимодействия является его CP- неинвариантность. Возможно, что это свойство ответственно за то обстоятельство, что вещество во Вселенной значительно превалирует над антивеществом, построенным из античастиц. Мир и антимир несимметричны.

Вопрос о том, какие  частицы являются переносчиками  слабого взаимодействия, долгое время  был неясен. Понимания удалось  достичь сравнительно недавно в  рамках объединенной теории электрослабых  взаимодействий - теории Вайнберга - Салама-Глэшоу. В настоящее время общепринято, что переносчиками слабого взаимодействия являются так называемые - и Z⁰- бозоны. Это заряженные и нейтральная Z⁰ элементарные частицы со спином 1 и массами, равными по порядку величины 100 m_p.

2.3.Электромагнитное взаимодействие.

По величине электрические  силы намного превосходят гравитационные. В отличие от слабого гравитационного  взаимодействия, электрические силы, действующие между телами обычных  размеров, можно легко наблюдать. Электромагнетизм известен людям с  незапамятных времен (полярные сияния, вспышки молнии и др.).

В течение долгого времени  электрические, и магнитные процессы изучались независимо друг от друга. Как мы уже знаем, решающий шаг в познании электромагнетизма сделал в середине XIX в. Дж. К. Максвелл, объединивший электричество и магнетизм в единой теории электромагнетизма - первой единой теории поля.

Существование электрона  было твердо установлено в 90-e годы прошлого столетия. Ныне известно, что электрический  заряд любой частицы вещества всегда кратен фундаментальной единице  заряда - своего рода "атому" заряда. Почему это так - чрезвычайно интересный вопрос. Однако не все материальные частицы являются носителями электрического заряда. Например, фотон и нейтрино электрически нейтральны. В этом отношении  электричество отличается от гравитации. Все материальные частицы создают  гравитационное поле, тогда как с  электромагнитным полем связаны  только заряженные частицы.

Как и электрические заряды, одноименные магнитные полюса отталкиваются, а разноименные - притягиваются. Однако в отличие от электрических зарядов  магнитные полюса встречаются не по отдельности, а только парами - северный полюс и южный полюс. Еще с  древнейших времен известны попытки  получить посредством разделения магнита  лишь один изолированный магнитный  полюс - монополь. Но все они заканчивались  неудачей. Может быть, существование  изолированных магнитных полюсов  в природе исключено? Определенного  ответа на этот вопрос пока не существует. Некоторые теоретические концепции  допускают возможность существования  монополя.

Как электрическое и гравитационное взаимодействия, взаимодействие магнитных  полюсов подчиняется закону обратных квадратов. Следовательно, электрическая  и магнитная силы "дальнодействующие", и их действие ощутимо на больших  расстояниях от источника. Так, магнитное  поле Земли простирается далеко в  космическое пространство. Мощное магнитное  поле Солнца заполняет всю Солнечную  систему. Существуют и галактические  магнитные поля.

Электромагнитное взаимодействие определяет структуру атомов и отвечает за подавляющее большинство физических и химических явлений и процессов (за исключением ядерных).

2.4.Сильное взаимодействие.

Последнее в ряду фундаментальных  взаимодействий - сильное взаимодействие, которое является источником огромной энергии. Наиболее характерный пример энергии, высвобождаемой сильным взаимодействием, - это наше Солнце. В недрах Солнца и звезд, начиная с определенного  времени, непрерывно протекают термоядерные реакции, вызываемые сильным взаимодействием. Но и человек научился высвобождать сильное взаимодействие: создана  водородная бомба, сконструированы  и совершенствуются технологии управляемой  термоядерной реакции.

К представлению о существовании  сильного взаимодействия физика шла  в ходе изучения структуры атомного ядра. Какая-то сила должна удерживать протоны в ядре, не позволяя им разлетаться  под действием электростатического  отталкивания. Гравитация для этого  слишком слаба; очевидно, необходимо какое-то новое взаимодействие, причем, более сильное, чем электромагнитное. Впоследствии оно было обнаружено. Выяснилось, что хотя по своей величине сильное взаимодействие существенно  превосходит все остальные фундаментальные  взаимодействия, но за пределами ядра оно не ощущается. Радиус действия новой  силы оказался очень малым. Сильное  взаимодействие резко падает на расстоянии от протона или нейтрона, превышающем примерно 10-13 см.

Кроме того, выяснилось, что  сильное взаимодействие испытывают не все частицы. Его испытывают протоны  и нейтроны, но электроны, нейтрино и фотоны не подвластны ему. В сильном  взаимодействии участвуют только более  тяжелые частицы.

Теоретическое объяснение природы  сильного взаимодействия развивалось  трудно. Прорыв наметился в начале 60-х годов, когда была предложена кварковая модель. В этой теории нейтроны и протоны рассматриваются  не как элементарные частицы, а как  составные системы, построенные  из кварков.

Таким образом, в фундаментальных  физических взаимодействиях четко  прослеживается различие сил дальнодействующих  и близкодействующих. С одной  стороны, имеют место взаимодействия неограниченного радиуса действия (гравитация, электромагнетизм), а с  другой - взаимодействия малого радиуса  действия (сильное и слабое). Мир  физических элементов в целом  развертывается в единстве этих двух полярностей и является воплощением  единства предельно малого и предельно  большого - близкодействия в микромире  и дальнодействия во всей Вселенной.

Познание есть обобщение  действительности, и поэтому цель науки - поиск единства в природе, связывание разрозненных фрагментов знания в единую картину. Для того чтобы  создать единую систему, нужно открыть  связующее звено между различными отраслями знания, некоторое фундаментальное  отношение. Поиск таких связей и  отношений - одна из главных задач  научного исследования. Всякий раз, когда  удается установить такие новые  связи, значительно углубляется  понимание окружающего мира, формируются  новые способы познания, которые  указывают путь к не известным  ранее явлениям.

Установление глубинных  связей между различными областями  природы - это одновременно и синтез знания, и метод, направляющий научные  исследования по новым, непроторенным  дорогам. Выявление Ньютоном связи  между притяжением тел в земных условиях и движением планет ознаменовало собой рождение классической механики, на основе которой построена технологическая  база современной цивилизации. Установление связи термодинамических свойств  газа с хаотическим движением  молекул поставило на прочную  основу атомно-молекулярную теорию вещества. В середине прошлого столетия Максвелл создал единую электромагнитную теорию, охватившую как электрические, так  и магнитные явления. Затем в 20-х  г. нашего века Эйнштейн предпринимал попытки объединить в единой теории электромагнетизм и гравитацию.

Но к середине ХХ в. положение  в физике радикально изменилось: были открыты два новых фундаментальных  взаимодействия - сильное и слабое, т.е. при создании единой физики приходится считаться уже не с двумя, а  с четырьмя фундаментальными взаимодействиями. Это несколько охладило пыл тех, кто надеялся на быстрое решение  данной проблемы. Но сам замысел  под сомнение всерьез не ставился, и увлеченность идеей единого  описания не прошла.

Существует точка зрения, что все четыре (или хотя бы три) взаимодействия представляют собой  явления одной природы и должно быть найдено их единое теоретическое  описание. Перспектива создания единой теории мира физических элементов на основе одного-единственного фундаментального взаимодействия остается весьма привлекательной. Это главная мечта физиков  ХХ в. Но долгое время она оставалась лишь мечтой, и очень неопределенной.

Однако во второй половине ХХ в. появились предпосылки осуществления  этой мечты и уверенность, что  это дело отнюдь не отдаленного будущего. Похоже, что вскоре она вполне может  стать реальностью. Решающий шаг  на пути к единой теории был сделан в 60-70-х гг. с созданием сначала  теории кварков, а затем и теории электрослабого взаимодействия. Есть основания для мнения, что мы стоим  на пороге более могущественного  и глубокого объединения, чем  когда-либо ранее. Среди физиков  усиливается убеждение, что начинают вырисовываться контуры единой теории всех фундаментальных взаимодействий - Великого объединения.

В 70-е ХХ века в естествознании произошло выдающееся событие: два  взаимодействия из четырех физики объединили в одно. Картина фундаментальных  оснований природы несколько  упростилась. Электромагнитное и слабое взаимодействия, казалось бы, весьма разные по своей природе, в действительности оказались двумя разновидностями  единого т.н. электрослабого взаимодействия. Теория электрослабого взаимодействия решающим образом повлияла на дальнейшее развитие физики элементарных частиц в конце ХХ в.

Главная идея в построении этой теории состояла в описании слабого  взаимодействия на языке концепции  калибровочного поля, в соответствии с которой ключом к пониманию  природы взаимодействий служит симметрия. Одна из фундаментальных идей в физике второй половины ХХ в. - это убеждение, что все взаимодействия существуют лишь для того, чтобы поддерживать в природе некий набор абстрактных  симметрий. Какое отношение имеет  симметрия к фундаментальным взаимодействиям? На первый взгляд, само предположение о существовании подобной связи кажется парадоксальным и непонятным.

Прежде всего, о том, что  понимается под симметрией. Принято  считать, что предмет обладает симметрией, если предмет остается неизменным в  результате проведения той или иной операции по его преобразованию. Так, сфера симметрична, потому что выглядит одинаково при повороте на любой  угол относительно ее центра. Законы электричества  симметричны относительно замены положительных  зарядов отрицательными и наоборот. Таким образом, под симметрией мы понимаем инвариантность относительно некой операции.