Гравитационное взаимодействие

Это самое слабое из всех взаимодействий. В макромире оно проявляет себя тем сильнее, чем крупнее массы взаимодействующих тел, а в микромире оно теряется на фоне куда более могучих сил. Так, сила электростатического отталкивания

электронов в 10⁴⁰ раз больше силы их гравитационного притяжения. И только при экстремально высокой плотности вещества, равной 10⁹⁴г/см³ (планковская плотность), гравитационные взаимодействия в микромире сравниваются по своей значимости с другими господствующими там силами.

В классической физике такое взаимодействие описывается известным законом тяготения Ньютона. Гравитационные взаимодействия обусловливают образование всех космических систем, а также концентрацию рассеянной в ходе эволюции звезд и галактик материи и включение ее в новые циклы развития. Скорость распространения гравитационных волн считается равной скорости света в вакууме, но достоверно гравитационные волны еще не зарегистрированы измерительными устройствами.

В рамках полевых представлений гравитационный заряд, согласно Эйнштейну, эквивалентен инертной массе вещества. Создаваемое им поле тяготения должно иметь свою бозонную частицу. Такую гипотетическую частицу назвали гравитоном. Экспериментально она пока не найдена.

Движение массивного тела под действием реальной силы должно вызывать возмущение своего же гравитационного поля, распространяющегося со скоростью света в форме гравитационной волны. Из-за ничтожной малости гравитационной силы волна имеет малую амплитуду. Даже такие грандиозные космические события, как взрыв сверхновой или коллапс массивной звезды, создают гравитационные волны, по оценкам лежащие за пределами чувствительности современных регистрирующих приборов. Тем не менее американским физикам Р. Хялси и Дж. Тейлору удалось косвенно подтвердить существование гравитационных волн, за что в 1993 г. они получили Нобелевскую премию.

Для гравитации не существует противоположной эквивалентной силы отталкивания (антигравитации), все античастицы обладают положительными значениями массы и энергии.

Итак, с точки зрения квантовой теории гравитации, поле тяготения подвергается квантованию, квантами этого поля являются гравитоны. Силы тяготения являются результатом постоянного обмена между телами гравитонами или гравитационными волнами. Они переносят энергию, обладают пространственно-временными свойствами, импульсом и другими характеристиками, присущими материальным объектам. Но в общей теории относительности существует и противоположное понимание гравитации - как проявления кривизны пространственно-временного континуума, тем самым гравитация сводится к метрическим особенностям пространства-времени. Поле тяготения создает искривление пространства, тем большее, чем больше тяготеющая масса.

Какая из этих теорий верна или хотя бы ближе к истине, покажет будущее.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

Этот вид взаимодействия также обладает универсальным характером и существует между любыми телами, но, в отличие от гравитационного взаимодействия, которое всегда выступает в виде притяжения, электромагнитное взаимодействие может проявляться и как притяжение (между разноименными зарядами), и как отталкивание (между одинаковыми зарядами).

Благодаря электромагнитным связям возникают атомы, молекулы и макроскопические тела. Все химические реакции представляют собой проявление электромагнитных взаимодействий, являются результатами перераспределения связей между атомами в молекулах, перестройки электронных оболочек атомов и молекул, а также количества и состава атомов в молекулах разных веществ. Изучением этих процессов занимается химия.

На заре развития науки об электричестве электрические и магнитные компоненты этого взаимодействия рассматривались как независимые, не связанные между собой родством. Максвелл доказал, что обе силы - это проявление одного и того же феномена. Так в науке впервые было показано, что за внешним различием природных сил может скрываться их глубокая общность. Электродинамика Максвелла явилась законченной классической теорией электромагнетизма, сохраняющей свое значение и в наши дни.

Современная физика создала более совершенную и точную теорию электромагнетизма, в которой учтены и квантово-полевые аспекты явления. Эта теория названа квантовой электродинамикой. Так же как физике неизвестна причина существования массы, так же ей неизвестна и природа электромагнитного заряда. Поэтому теория начинается с постулирования существования этого заряда. Заряд создает поле, квантом которого служит безмассовый бозон - фотон со спином, равным 1. Электрический заряд проявляется в двух разновидностях:

заряд, присущий электрону, назван отрицательным; заряд, присущий протону и позитрону, назван положительным. Взаимодействие зарядов обеспечивается обменом виртуальных фотонов. В случае разноименных зарядов обмен создает эффект притяжения, а в случае одноименных - отталкивания. Во всех процессах с участием электромагнитных зарядов выполняется закон сохранения заряда, импульса, энергии и др.

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 u. 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 пептонов и кварков, но не всем. Слабый заряд образует три разновидности поля с тремя обменными бозонными частицами, имеющими значительную массу. Слабое взаимодействие переносится векторными бозонами и имеет очень малый

радиус действия порядка 10^-15см.

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 слабое, 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 бозонная 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 -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^-13 см, 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 стали 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^-13 см, 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-антикварковой 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.