Связи. силы. знания

Михаил Опенков

22:30 - Доступ ограничен

С современной точки зрения, электромагнитное и слабое взаимодействия – это две стороны единого электрослабого взаимодействия. Пока характерные энергии достаточно малы, электромагнитное и слабое взаимодействия отделены и не влияют друг на друга. При достаточно больших энергиях взаимодействия сливаются.

Энергия объединения оценивается в 10^2 ГэВ. ГэВ – это сокращение от гигаэлектроновольта, т. е. 10^9 электроновольт, что составляет 1, 6· 10^19 Дж. Характерная энергия электрона в основном состоянии атома водорода 10-8 ГэВ, характерная энергия связи атомного ядра – 10-2 ГэВ, характерная энергия связи твердого тела – 10^-10 ГэВ. Характерная энергия объединения слабого и электромагнитного взаимодействий огромна по сравнению с теми, которые встречаются в атомной и ядерной физике. По этой причине электромагнитное и слабое взаимодействие не проявляют в обычных физических явлениях своей единой сущности.

Здесь для справки приведу еще несколько цифр. Один киловатт-час равен 2×10^25 эВ. Средняя скорость молекулы воздуха примерно равна скорости звука (около 300 м/с). При комнатной температуре ее средняя энергия составляет 1/40 эВ. Батарейка карманного фонарика – ускоритель заряженных частиц с энергией в 1эВ. Для исследования внутренней структуры атома необходима энергия кэВ, которую обеспечивают рентгеновские лучи. С помощью рентгеновских лучей перед Первой мировой войной Мозли показал, что химическая тождественность определяется зарядом ядра, была установлена ключевая концепция атомного номера.

Ядерные свойства измеряются в МэВ, природа в изобилии предоставляет частицы с такой энергией. Такие частицы создаются в процессах естественного радиоактивного распада. Именно ими воспользовался Эрнест Резерфорд, чтобы в 1911 году открыть само атомное ядро. Маленькие специальные ускорители, создающие пучки частиц с энергией в 1МэВ, действуют по всему миру, где занимаются ядерной физикой. Состоятельный университет или развивающаяся страна могут без особых усилий построить такие ускорители.

Для изучения структуры протонов и нейтронов необходимо создать увеличение энергии в тысячу раз, до ГэВ. Антипротон был обнаружен на ускорителе, который создавал до 3ГэВ на столкновение. СТАНДАРТНАЯ МОДЕЛЬ возникла из экспериментов при энергии в несколько ГэВ. С этого этапа и начинается Большая Наука. Переносчицы слабого взаимодействия были обнаружены при энергии столкновения 0,5 ТэВ (1ТэВ=10^12 эВ). Американский коллайдер лаборатории Ферми с 1988 года работал на энергии до 2 ТэВ. Американцы планировали создание Сверхпроводящего суперколлайдера имени Р. Рейгана в Техасе (энергия до 40 ТэВ), но потом заморозили проект из-за дороговизны.

Сильное взаимодействие ответственно за устойчивость атомных ядер. Атомные ядра большинства химических элементов стабильны. Взаимодействие, которое их удерживает от распада должно быть достаточно мощным. Как известно, ядра атомов состоят из нейтронов и протонов. Чтобы положительно заряженные протоны не разлетелись в стороны, необходимо наличие сил притяжения между ними, превосходящих силы электростатического отталкивания.

Характерной чертой сильного взаимодействия является его зарядовая независимость. Ядерные силы притяжения между протонами, нейтронами, нейтронами и протонами по существу одинаковы. С точки зрения сильного взаимодействия, протон и нейтрон неотличимы друг от друга, поэтому для них используется единый термин – нуклон, т. е частица ядра. Масштаб сильного взаимодействия составляет 10-13 см и совпадает с характерными размерами ядра. Сильное взаимодействие является короткодействующим, т. е. практически полностью исчезает на масштабах, превышающих размеры атомного ядра. Макроскопическим проявлением сильного взаимодействия служит эффект ?-радиоактивности.

В настоящее время существует квантовая теория сильного взаимодействия, получившая название квантовой хромодинамики. Согласно этой теории, переносчицами сильного взаимодействия являются элементарные частицы – глюоны (от английского слова glue — клей). Адроны, участвующие в сильном взаимодействии, состоят из кварков. Кварки имеют спин ½ и ненулевую массу.

Теория электрослабых взаимодействий совместно с квантовой хромодинамикой образуют то, что сейчас называется СТАНДАРТНОЙ МОДЕЛЬЮ.