Основные типы физических взаимодействий

Все многочисленные взаимодействия частиц сводятся к четырем основным взаимодействиям:

  1. Сильные взаимодействия — взаимодействия между нуклонами и другими тяжелыми частицами. Они обеспечивают, стабильность ядер и отвечают за процессы рождения частиц при взаимодействии частиц высоких энергий. Это весьма короткодействующие взаимодействия: они проявляются лишь в пределах ядра, т. е. на расстояниях, не превышающих 10-16 м. За пределами ядра они практически отсутствуют. Именно поэтому роль ядра в химических свойствах атома сравнительно невелика, и ответственность за них несут электроны атомной оболочки. Но зато внутри ядра эти взаимодействия определяют все процессы.При сильных взаимодействиях выполняются обычные законы сохранения и существует ряд законов сохранения, присущих только этим взаимодействиям. Имеются частицы (фотон, электрон, нейтрино), не подверженные сильным взаимодействиям.
  2. Слабые взаимодействия, наблюдаемые главным образом на расстояниях, не превышающих 10-13 м, определяют бета-распад. Они играют определенную,’ но пока малоизученную роль и на очень малых расстояниях. Для этих взаимодействий также существует (кроме обычных) ряд специальных законов сохранения. Природа слабых взаимодействий пока не вполне ясна, однако есть существенные основания предполагать, что этот вид взаимодействия удастся свести к электромагнитному взаимодействию.
  3. Электромагнитные взаимодействия проявляются на любых расстояниях и определяют практически все свойства атомов, молекул и макроскопических тел. Будучи значительно слабее сильных (на тех расстояниях, где проявляются последние), они все же играют некоторую роль и внутри ядра; например, кулоновское отталкивание протонов друг от друга ухудшает устойчивость ядра. Электромагнитные взаимодействия наиболее сильна проявляются у заряженных частиц. Однако и незаряженные частицы, обладающие спином и магнитным моментом, взаимодействуют, хотя и слабо, с электромагнитным полем; таковы частицы' с ненулевой массой покоя, например нейтроны. По-видимому, не подвержены электромагнитным взаимодействиям только Нейтрино.
  4. Гравитационное взаимодействие, присущее всем без исключения частицам на любых расстояниях, практически не проявляется на атомных расстояниях вследствие своей относительной слабости. Но при увеличении массы объекта это взаимодействие начинает играть основную роль, например, для незаряженных макроскопических тел.

Если принять за единицу интенсивность сильного взаимодействия между двумя частицами (на тех расстояниях, где оно проявляется), то относительные интенсивности остальных взаимодействий — электромагнитного, слабого и гравитационного — определятся такими числами: 1 : 10- 4 : 10 - 24 : 10-40.

В природе сочетание и конкуренция различных взаимодействий особенно ярко проявляются там, где проблемы микромира смыкаются с космическими проблемами. Приведем несколько примеров.

Одним из возможных следствий общей теории относительности является модель расширяющейся Вселенной — при наблюдении с Земли спектры веществ всех галактик испытывают «красное смещение». Этот экспериментальный факт толкуют как проявление эффектаДопплера. Если это верно, то придется допустить, что, с точки зрения земного наблюдателя, все галактики взаимно удаляются, причем более далекие из них имеют и большие скорости. Следовательно, на определённом этапе развития Вселенной гравитационные силы, всегда являющиеся силами взаимного притяжения, не смогли преодолеть сил отталкивания между частицами, из которых состоят галактики. Характер дальнейшей эволюции Вселенной зависит от того, достаточно ли сильны гравитационные взаимодействия, чтобы это расширение могло когда-нибудь замениться сжатием.

В то же время само существование нынешних галактик, согласно современным представлениям, обязано тому, что звезды и другие космические объекты создаются из нагретого газа (плазмы) в условиях, когда гравитационное притяжение преодолевает отталкивание любой природы. В этих условиях сжатие и захват новых порций вещества приводят к дополнительному росту гравитационного сжатия и в конечном итоге к образованию тел громадных размеров. Возникновение звезд из - конденсирующейся межзвездной среды сопровождается сжатием газа до очень высоких плотностей при гигантских температурах, причем происходит химическая эволюция вещества звезд, обогащение их тяжелыми элементами. Термоядерный синтез элементов, происходящий в недрах звезд, является источником звездной энергии: протоны через ряд превращений соединяются в альфа-частицы, а за счет освобождающейся энергии связи возникает гамма-излучение и происходит нагревание вещества внутри звезды. Кроме того, увеличивающиеся силы давления излучения, направленные наружу, препятствуют гравитационному сжатию. Протоны и α-частицы, постепенно объединяясь, порождают все более тяжелые атомные ядра. Затем по мере исчерпания ядерного горючего происходит понижение температуры и уменьшение давления излучения в недрах звезд; звезда начинает сжиматься. Если звезда имеет массу, большую массы Солнца (2- 1030 кг), то она сжимается до очень малого радиуса (несколько километров). При этом плотность вещества внутри звезды достигает колоссальных значений (≈ 1019 кг/м3), что на один-два порядка превышает плотность ядер в обычных условиях. Такая плотность достигается, если вещество сжато так, что все атомы лишены своих электронов и эти электроны, взаимодействуя с протонами «раздавленных» ядер, приводят к значительному уменьшению числа свободных протонов и электронов и соответственно увеличению числа нейтронов, доля которых достигает 95—98%,— образуется «нейтронная звезда». В земных условиях не существует ничего подобного этому состоянию.

Устойчивость нейтронной звезды определяется конкуренцией чудовищных по значению сил взаимного отталкивания частиц и сил их гравитационного притяжения. Кроме сжатия, нейтронная звезда может прийти в очень быстрое вращение (с периодом порядка сотых долей секунды). Так как она обладает и сильным неоднородным магнитным полем, вращающимся вместе с нею, то ускоряемые полем электроны наружных слоев звезды создают излучение. При наблюдении такой звезды экспериментатор воспринимает периодически повторяющиеся импульсы излучения. Объекты подобного типа, названные «пульсарами», были открыты в 1968 г. Они повысили уверенность астрофизиков в реальности нейтронных звезд.

Но на этом развитие нейтронной звезды может не остановиться. Расчеты показывают, что если масса звезды значительна (больше 2,5 масс Солнца), то воздействие тяготения может вызвать быстрое дополнительное сжатие звезды (коллапс), в результате чего вещество и излучение (в том числе свет) будут лишь захватываться звездой извне и направляться «внутрь» звезды, но не выходить из нее наружу. Поэтому внешний наблюдатель ничего не увидит. Действительно, чтобы получить сведения о процессах, происходящих в звезде, нужно исследовать ее вещество или излучение. Отсюда и название, присвоенное таким объектам,— «черная дыра».

Сказанное не означает, что «черная дыра» вообще не может быть обнаружена. Создаваемое ею гравитационное поле проявляется и во внешнем (относительно звезды) пространстве. Поэтому, например, в системе, состоящей из обычной звезды и «черной дыры», обращающихся около общего центра масс, влияние «черной дыры» на звезду может быть обнаружено при наблюдении за движением последней, а также в случае захвата «черной дырой» вещества другой звезды. Есть основания считать, что один из найденных источников рентгеновского излучения имеет именно такую природу.

Влияние сильного поля тяготения на излучение, например наблюдаемое на Земле отклонение лучей света звезд, проходящих в непосредственной близости к Солнцу во время его полного затмения, было предсказано общей теорией относительности и является одним из основных опытных подтверждений этой теории. Кроме того, воздействие поля тяготения на свет уменьшает частоту колебаний световой волны, т. е. создает дополнительное (к допплеровскому) «красное смещение», по-видимому, обнаруженное у излучения квазаров — новых небесных объектов, до семидесятых годов неизвестных физикам.

Приведенный пример сочетания взаимодействий масштаба микромира с взаимодействиями космического масштаба не является единственным; можно указать упомянутые выше квазары («как бы звезды»), «белые дыры» и др.

Специальный интерес представляет вопрос о связи полей и частиц. Дело в том, что многие частицы являются квантами соответствующих взаимодействий. Действительно, фотон — это квант (частица) электромагнитных взаимодействий. Аналогично нейтрино — квант слабого взаимодействия, пион — сильного. Такие представления оказываются целесообразными, когда взаимодействия описываются соответствующими полями, например электромагнитным или ядерным, особенно если учесть конечность времени распространения взаимодействий. Впрочем, попытки связать слабое взаимодействие с соответствующим полем встречают некоторые трудности.

Взаимодействие можно рассматривать как обмен частицами соответствующего поля. Эти идеи были положены японским физиком Юкавой в основу сделанного им (в 30-х годах, еще до открытия мезонов) предположения о том, что частицей ядерных взаимодействий должна быть частица массой, существенно большей массы электрона,— ею оказался пион.

Время обмена пионами Δt можно оценить из соотношения неопределенностей энергия — время для ядерных взаимодействий:

где ΔЕ — разность энергий у частиц, обменивающихся пионами.

С другой стороны, в соответствии с соотношением Эйнштейна

где тπ — масса пиона; Δt связано с радиусом действия ядерных сил R и со скоростью движения частиц, которую можно принять равной скорости света:

Так как R1,5- 10-15 м, то отношение массы покоя пиона к массе покоя электрона (mе = 9 x 10-31 кг) должно равняться:

Действительная масса я-мезона близка к этому значению.

Можно предположить, что и у гравитационного поля есть своя частица — гравитон и с ней связаны гравитационные волны. Однако обнаружить гравитационные волны, идущие от космических объектов, пока не удалось. Причина неудачи — в потрясающей малости энергии этого поля по сравнению с электромагнитным.

Заканчивая обсуждение фундаментальных взаимодействий, отметим, что в вопросах химии, молекулярной физики и физики макроскопических тел, как и в большинстве технических задач, ядерные взаимодействия не играют сколь-нибудь заметной роли, так как расстояния между взаимодействующими частицами превышают радиус действия ядерных сил.