Слабое взаимодействие

Это третье фундаментальное взаимодействие, существую­щее только в микромире. Оно ответственно за превращение одних частиц-фермионов в другие, при этом цвет слабо взаи­модействующих пептонов и кварков не меняется.

Типичный пример слабого взаимодействия - процесс бета-распада, в ходе которого свободный нейтрон в среднем за 15 минут распадается на протон, электрон и электронное ан­тинейтрино. Распад вызывается превращением внутри нейтро­на кварка аромата d в кварк аромата и. Вылетающий электрон обеспечивает сохранение суммарного электрического заряда, а антинейтрино позволяет сохранить суммарный механический импульс системы.

Описываемые нами полевые представления о слабом вза­имодействии выглядят следующим образом. Постулируется

существование фундаментального слабого заряда, присущего неко­торым частицам из класса лептонов и кварков, но не всем. Слабый заряд образует три разновидности поля с тремя обменными бозон-ными частицами, имеющими значительную массу. Слабое взаимо­действие переносится векторными бозонами и имеет очень малый

радиус действия порядка 10~¹⁵ см.

Первоначально созданная теория слабого взаимодействия оказалась несовершенной. Возникли подозрения, что трудно­сти теории удастся преодолеть, если допустить, что слабое и электромагнитное взаимодействия - это разные проявления одного взаимодействия наподобие того, как электричество и магнетизм - два проявления единой сущности. Эту идею в 60-х годах воплотили в теорию С. Вайнберг и А. Салам. Теория единого электрослабого взаимодействия позволила решить главные проблемы, связанные со слабым взаимодействием.

Эта теория исходит из существования единого фундамен­тального заряда, отвечающего одновременно и за слабее, и за электромагнитное взаимодействия. При очень высоких темпе­ратурах (энергиях) структура вакуума нарушается и не. может помешать проявлению такого заряда. Тогда слабое и электро­магнитное взаимодействия сливаются воедино, а заряд порож­дает общее поле, квантом которого служит безмассовая бозон-ная частица с бесконечным радиусом действия. При пониже­нии температуры наступает критический момент, после кото­рого вакуум переходит в иную, более упорядоченную модифи­кацию,- что меняет характер его взаимодействия с электросла­бым зарядом. В результате заряд распадается на две части, од­на, из которых предстает как электромагнитный заряд, а другая - как слабый заряд. Безмассовая бозонная частица распадается на четыре составляющих. Выделяется бозон электромагнитно­го воздействия, он остается безмассовой частицей - фотоном. А трем полям слабого заряда соответствуют три тяжелых бозона, получивших свои массы в результате взаимодействия со струк­турой модифицированного вакуума.

Эта теория влечет ряд следствий, допускающих экспери­ментальную проверку. Так, она предсказала значения масс векторных бозонов, которые были подтверждены в ходе экс­перимента на ускорителе. Руководителям этого эксперимента была присуждена Нобелевская премия в 1984 г.

СИЛЬНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

Основная функция сильного взаимодействия - соединять кварки и антикварки в адроны. Теория сильных взаимодейст­вий находится в процессе создания. Она является типичной полевой теорией и названа квантовой хромодинамикой. Ис­ходным положением ее служит постулат о существовании трех типов цветовых зарядов (красный, синий, зеленый), выражаю­щих присущую веществу способность к объединению кварков в сильном взаимодействии. Каждый из кварков содержит не­которую комбинацию таких зарядов, но при этом полной их взаимокомпенсации не происходит, и кварк обладает резуль­тирующим цветом, то есть сохраняет способность к сильному взаимодействию с другими кварками. Но когда три кварка или кварк и антикварк объединяются в адрон, суммарная комби­нация цветовых зарядов в нем такова, что адрон в целом обла­дает цветовой нейтральностью.

Цветовые заряды создают поля с присущими им квантами т бозонами. Обмен виртуальными цветовыми бозонами между кварками и (или) антикварками служит материальной основой сильного взаимодействия. Заряды создают 8 полей с соответ­ствующими восемью бозонными частицами, названными глюонами. Им приписывают экзотические свойства: они без­массовые, чем схожи с фотоном и гравитоном, но шесть из восьми глюонов имеют цветовые заряды, как и те фермионы, для которых они служат переносчиками взаимодействия. Ни один другой бозон, фигурирующий в полевых теориях, не яв­ляется носителем заряда, и ранее считалось, что иметь заряд -это привилегия фермионов. Безмассовые глюоны, в отличие от фотонов и гравитонов, имеют ограниченный радиус действия -10~¹³см, а присущий им цветовой заряд провоцирует сильней­шее возмущение вакуума, поскольку некомпенсированный цветовой заряд вызывает активное выделение в вакууме обла­ка виртуальных глюонов и кварк-антикварковых пар, компен­сирующих вносимое цветовым зарядом возмущение. Обра­зующееся при этом пространственное распределение цветового заряда уменьшает силу взаимодействия между кварками при их сближении. На очень близких расстояниях вакуумная компенсация цветовых зарядов приводит к тому, что кварки перестают влиять друг на друга и ведут себя как свободные частицы. С увеличением расстояния между кварками сила взаимодействия нарастает. Для разделения двух частиц с цве­товыми зарядами понадобилась бы бесконечно большая энер­гия. Но как только вводимая энергия превысит определенный уровень, вакуум выделяет уже не виртуальные, а реальные кварки-антикварки, которые соединяются с первичными час­тицами и образуют поток адронов, что и наблюдается в экспе­риментах на ускорителях. Сильное взаимодействие при любых обстоятельствах сохраняет бесцветность частиц.

До открытия кварков и цветового взаимодействия фунда­ментальным считали ядерное взаимодействие, объединяющее протоны и нейтроны в ядрах атомов. С открытием кваркового уровня вещества под сильным взаимодействием ста,ди пони­мать цветовые взаимодействия между кварками, объединяю­щимися в адроны. Ядерные силы перестали считаться фунда­ментальными, они должны как-то выражаться через -цветные силы. Но это не просто сделать, ведь барионы (протоны и ней­троны), составляющие ядра, в целом цветонейтральны. По аналогии можно вспомнить, что и атомы в целом электрически нейтральны, но на молекулярном уровне проявляются химиче­ские силы, рассматриваемые как отголоски электрических атомных сил.

Теория предполагает, что при сближении барионов на рас­стояние меньшее, чем 10~¹³см, они теряют свои индивидуаль­ные особенности, глюонный обмен между кварками, удержи­вающий их в адронах, принимает коллективный характер, свя­зывая кварки всех барионов в единую систему, в атомное ядро. Перемещение одного из кварков в сторону другого кварка на­рушает локальную нейтральность цветового заряда, вакуум реагирует на это рождением виртуальной кварк-антик-варковой пары. Кварк этой пары замещает «нарушителя» на его законном месте, а антикварк вместе с беглецом образует виртуальный пион (пи-мезон), принимаемый за обменную час­тицу ядерного взаимодействия. Насколько такая картина при­емлема для объяснения природы ядерных сил, покажет буду­щее. Пока же нет сомнений, что ядерные силы - это только от­голоски цветовых сил.

Рассмотренные четыре типа фундаментальных взаимодей­ствий лежат в основе всех других известных форм движения материи, в том числе возникших на высших ступенях развития. Любые сложные формы движения при их разложении на структурные составляющие обнаруживаются как сложные мо­дификации указанных фундаментальных взаимодействий.

ТЕОРИИ БОЛЬШОГО ОБЪЕДИНЕНИЯ И СУПЕРОБЪЕДИНЕНИЯ

Заветная мечта всех физиков - выявить универсальность всех фундаментальных сил, объединить все физические взаи­модействия в одной теории. Объединение электромагнитного и слабого взаимодействия в единое электрослабое взаимодей­ствие стало первым обнадеживающим успехом на этом пути. Есть попытки создать теорию Большого объединения (так на­зывается теория объединения электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий). Еще более грандиозна идея объе­динения всех четырех фундаментальных взаимодействий, включая гравитацию. Соответствующие теоретические по­строения называют суперобъединением.

Сегодня физики считают, что они смогут создать эту тео­рию на основе появившейся недавно теории суперструн. Пио­нерами в создании этой теории явились М. Грин (Великобритания) и Дж. Шварц (США). Эта теория должна объединить все фундаментальные взаимодействия при сверх­высоких энергиях.

Эта новая теория описывает некие протяженные объекты -струны. Это - пространственно одномерные отрезки с харак­терным размером планковской длины 10"³³см. Предполагает­ся, что на таких малых расстояниях должны проявляться 6 до­полнительных пространственных измерений, которые в отли­чие от обычных четырех измерений компактифицированы, то есть свернуты в точки, замкнуты, ограничены в определенных областях и не распространяются в область макромира.

Эта теория является следствием объединения квантовой теории поля с общей теорией относительности. Понятие стру­ны в ней становится синонимом понятия микрочастицы или вообще локализованного в пространстве объекта. Все части­цы, которые мы знаем и, может быть, откроем в будущем, представляют собой определенное возбужденное состояние струны. Такие возбужденные состояния струн можно сравнить с набором звуков, вызываемых колебанием струны, например, скрипки. Более высокие звуки можно сопоставить с новыми

частицами, с массой, большей массы предыдущих частиц. Вве­дение понятия струны полностью исключает точечные пред­ставления из структуры микромира, и по сути эта теория сво­дит физику к геометрии очень сложных пространств.

Теория суперструн тесно связана с новыми представления­ми о симметрии - с концепцией суперсимметрии, открытой в 60 - 70-х гг., которая связала между собой бозоны и фермионы. Преобразования суперсимметрии переводят их друг в друга, а также связывают физику с геометрией.

Согласно этой теории, фундаментальным объектом совре­менной физики является квантованное суперструнное поле, возбуждениями которого являются суперструны, взаимодейст­вующие друг с другом и с вакуумом (возникающие и погло­щающиеся в нем). Струны же в свою очередь порождают эле­ментарные частицы.

Теория суперструн ведет к некоторым нетривиальным следствиям. Так, среди порожденных струнами элементарных частиц должны быть по расчетам гипотетические частицы та­хионы - движущиеся со скоростью, большей скорости света. Как следствие этой теории возникает и представление о «теневом» мире - объяснение открытого астрономами факта, что галактики и скопления галактик содержат большую массу невидимого вещества, в десятки раз превосходящую массу са­мих галактик.

Таковы в кратком изложении те проблемы, решениями ко­торых занимается современная физика.