Фундаментальні взаємодії

Сучасні досягнення фізики високих енергій дедалі більше зміцнюють уявлення про те, що розмаїття властивостей Природи зумовлене взаємодією елементарних частинок. Дати неформальне визначення елементарної частинки, вочевидь, неможливо, оскільки йдеться про найпервинніші елементи матерії. На якісному рівні можна сказати, що істинно елементарними частинками називаються фізичні об’єкти, які не мають складових частин.

• Гравітаційна взаємодія
• Поняття про квантову гравітацію
• Слабка взаємодія
• Електромагнітна взаємодія
• Сильна взаємодія
• Тенденції об’єднання взаємодій
• Висновок
• Література

Очевидно, що питання про елементарність фізичних об’єктів — це насамперед експериментальне питання. Наприклад, експериментально встановлено, що молекули, атоми, атомні ядра мають внутрішню структуру, яка вказує на наявність складових частин. Тому їх не можна вважати елементарними частинками. Порівняно недавно відкрито, що такі частинки, як мезони та баріони, також мають внутрішню структуру і, отже, не є елементарними. Водночас у електрона внутрішню структуру ніколи не спостерігали, а отже, його можна зарахувати до елементарних частинок. Іншим прикладом елементарної частинки є квант світла — фотон.

Сучасні експериментальні дані свідчать, що існує лише чотири якісно різні види взаємодій, у яких беруть участь елементарні частинки. Ці взаємодії називаються фундаментальними, тобто найосновнішими, вихідними, первинними. Якщо взяти до уваги все розмаїття властивостей навколишнього світу, то здається надзвичайно дивним, що в природі існує лише чотири фундаментальні взаємодії, відповідальні за всі явища природи.

Крім якісних відмінностей, фундаментальні взаємодії відрізняються в кількісному відношенні за силою впливу, яку характеризують терміном інтенсивність. У порядку зростання інтенсивності фундаментальні взаємодії розташовуються так: гравітаційна, слабка, електромагнітна та сильна. Кожна з цих взаємодій характеризується відповідним параметром, який називається константою зв’язку і числове значення якого визначає інтенсивність взаємодії.

Яким чином фізичні об’єкти здійснюють фундаментальні взаємодії між собою? На якісному рівні відповідь на це запитання виглядає так. Фундаментальні взаємодії переносяться квантами. При цьому у квантовій області фундаментальним взаємодіям відповідають відповідні елементарні частинки, які називаються елементарними частинками — переносниками взаємодій. У процесі взаємодії фізичний об’єкт випромінює частинки — переносники взаємодії, які поглинаються іншим фізичним об’єктом. Це призводить до того, що об’єкти ніби відчувають один одного, їхня енергія, характер руху, стан змінюються, тобто вони зазнають взаємного впливу.

У сучасній фізиці високих енергій дедалі більшого значення набуває ідея об’єднання фундаментальних взаємодій. Згідно з ідеями об’єднання, у природі існує лише одна єдина фундаментальна взаємодія, що виявляє себе в конкретних ситуаціях як гравітаційна, або як слабка, або як електромагнітна, або як сильна, або як певна їхня комбінація. Успішною реалізацією ідей об’єднання стало створення об’єднаної теорії електромагнітних і слабких взаємодій, яка вже стала стандартною. Триває робота над розвитком єдиної теорії електромагнітних, слабких і сильних взаємодій, яка дістала назву теорії великого об’єднання. Робляться спроби знайти принцип об’єднання всіх чотирьох фундаментальних взаємодій. Ми послідовно розглянемо основні прояви фундаментальних взаємодій.

Гравітаційна взаємодія

    Ця взаємодія має універсальний характер, у ній беруть участь усі види матерії, усі об’єкти природи, усі елементарні частинки! Загальноприйнятою класичною (не квантовою) теорією гравітаційної взаємодії є ейнштейнівська загальна теорія відносності. Гравітація визначає рух планет у зоряних системах, відіграє важливу роль у процесах, що відбуваються в зорях, керує еволюцією Всесвіту, у земних умовах виявляє себе як сила взаємного притягання. Звичайно, ми перелічили лише невелику кількість прикладів із величезного переліку ефектів гравітації.

Згідно із загальною теорією відносності, гравітація пов’язана з кривизною простору-часу й описується в термінах так званої ріманової геометрії. Нині всі експериментальні та спостережні дані про гравітацію вкладаються в рамки загальної теорії відносності. Однак дані про сильні гравітаційні поля по суті відсутні, тому експериментальні аспекти цієї теорії містять багато відкритих питань. Така ситуація спричиняє появу різних альтернативних теорій гравітації, передбачення яких для фізичних ефектів у Сонячній системі практично не відрізняються від передбачень загальної теорії відносності, але приводять до інших наслідків у сильних гравітаційних полях.

  Якщо знехтувати всіма релятивістськими ефектами й обмежитися слабкими стаціонарними гравітаційними полями, то загальна теорія відносності зводиться до ньютонівської теорії всесвітнього тяжіння. У цьому випадку, як відомо, потенціальна енергія взаємодії двох точкових частинок із масами m₁ і m₂ задається співвідношенням

$V(r) = -G{\frac{{m}_{1}{m}_{2}}{r}}$

де r — відстань між частинками, G — ньютонівська гравітаційна стала, що відіграє роль константи гравітаційної взаємодії. Це співвідношення показує, що потенціальна енергія взаємодії V(r) відмінна від нуля за будь-якого скінченного r і спадає до нуля дуже повільно. Тому кажуть, що гравітаційна взаємодія є далекодійною.

  Із багатьох фізичних передбачень загальної теорії відносності відзначимо три. Теоретично встановлено, що гравітаційні збурення можуть поширюватися в просторі у вигляді хвиль, які називаються гравітаційними. Слабкі гравітаційні збурення, що поширюються, багато в чому аналогічні електромагнітним хвилям. Їхня швидкість дорівнює швидкості світла, вони мають два стани поляризації, для них характерні явища інтерференції та дифракції. Однак через надзвичайно слабку взаємодію гравітаційних хвиль із речовиною їхнє пряме експериментальне спостереження досі не було можливим. Проте дані деяких астрономічних спостережень втрати енергії в системах подвійних зір свідчать про можливе існування гравітаційних хвиль у природі.

  Теоретичне дослідження умов рівноваги зір у рамках загальної теорії відносності показує, що за певних умов досить масивні зорі можуть почати катастрофічно стискатися. Це стає можливим на досить пізніх стадіях еволюції зорі, коли внутрішній тиск, зумовлений процесами, відповідальними за світність зорі, не здатний урівноважити тиск сил тяжіння, що прагнуть стиснути зорю. У результаті процес стискання вже ніщо не може зупинити. Описане фізичне явище, передбачене теоретично в рамках загальної теорії відносності, дістало назву гравітаційного колапсу. Дослідження показали, що якщо радіус зорі стає меншим за так званий гравітаційний радіус

$R_g = \frac{2GM}{c^2},$

де M — маса зорі, а c — швидкість світла, то для зовнішнього спостерігача зоря згасає. Жодна інформація про процеси, що відбуваються в цій зорі, не може досягти зовнішнього спостерігача. При цьому тіла, що падають на зорю, вільно перетинають гравітаційний радіус. Якщо під таким тілом мається на увазі спостерігач, то нічого, крім посилення гравітації, він не помітить. Таким чином, виникає область простору, у яку можна потрапити, але з якої ніщо не може вийти, включно зі світловим променем.

Таку область простору називають чорною дірою. Існування чорних дір є одним із теоретичних передбачень загальної теорії відносності, деякі альтернативні теорії гравітації побудовані саме так, що вони забороняють явища такого типу. У зв’язку з цим питання про реальність чорних дір має винятково важливе значення. Нині є спостережні дані, що свідчать про наявність чорних дір у Всесвіті.

У рамках загальної теорії відносності вперше вдалося сформулювати проблему еволюції Всесвіту. Тим самим Всесвіт у цілому стає не предметом спекулятивних міркувань, а об’єктом фізичної науки. Розділ фізики, предметом якого є Всесвіт у цілому, називається космологією. Нині вважається твердо встановленим, що ми живемо у Всесвіті, який розширюється.

Сучасна картина еволюції Всесвіту ґрунтується на уявленні про те, що Всесвіт, включно з такими його атрибутами, як простір і час, виник унаслідок особливого фізичного явища, яке називається Великим вибухом, і відтоді розширюється. Згідно з теорією еволюції Всесвіту, відстані між далекими галактиками мають збільшуватися з часом, а весь Всесвіт має бути заповнений тепловим випромінюванням із температурою порядку 3 K.

Ці передбачення теорії чудово узгоджуються з даними астрономічних спостережень. При цьому оцінки показують, що вік Всесвіту, тобто час, який минув від моменту Великого вибуху, становить близько 10 млрд років. Щодо деталей Великого вибуху, то це явище мало вивчене і можна говорити про загадку Великого вибуху як про виклик фізичній науці загалом. Не виключено, що пояснення механізму Великого вибуху пов’язане з новими, поки що невідомими законами природи. Загальноприйнятий сучасний погляд на можливе розв’язання проблеми Великого вибуху ґрунтується на ідеї об’єднання теорії гравітації та квантової механіки.

Поняття про квантову гравітацію

    Чи можна взагалі говорити про квантові прояви гравітаційної взаємодії? Як заведено вважати, принципи квантової механіки мають універсальний характер і застосовні до будь-якого фізичного об’єкта. У цьому сенсі гравітаційне поле не є винятком. Теоретичні дослідження показують, що на квантовому рівні гравітаційна взаємодія переноситься елементарною частинкою, яка називається гравітоном. Можна зазначити, що гравітон є безмасовим бозоном зі спіном 2. Гравітаційну взаємодію між частинками, зумовлену обміном гравітоном, умовно зображають так:

    Частинка випромінює гравітон, унаслідок чого стан її руху змінюється. Інша частинка поглинає гравітон і також змінює стан свого руху. У результаті виникає вплив частинок одна на одну.
    Як ми вже зазначали, константою зв’язку, що характеризує гравітаційну взаємодію, є ньютонівська константа G. Добре відомо, що G — розмірна величина. Очевидно, що для оцінювання інтенсивності взаємодії зручно мати безрозмірну константу зв’язку. Щоб отримати таку константу, можна використати фундаментальні сталі: $\hbar$ (стала Планка) і c (швидкість світла) — і ввести яку-небудь еталонну масу, наприклад масу протона m_p. Тоді безрозмірна константа зв’язку гравітаційної взаємодії буде

$\frac{Gm_p^2}{\hbar c}\sim 10^{-39},$

що, звичайно, є дуже малою величиною.

Цікаво зазначити, що з фундаментальних сталих $G, \hbar, c$ можна побудувати величини, які мають розмірність довжини, часу, густини, маси, енергії. Ці величини називаються планківськими. Зокрема, планківська довжина l_Pl і планківський час t_Pl мають такий вигляд: $${l}_{Pl} = {\sqrt{\frac{\hbar G}{{c}^{3}}}} \approx 1.6*{10}^{-33}m~~{t}_{Pl} = {\sqrt{\frac{\hbar G}{{c}^{5}}}} \approx 1.6*{10}^{-43}s.$$

Кожна фундаментальна фізична стала характеризує певне коло фізичних явищ: G — гравітаційні явища, $\hbar$ — квантові, c — релятивістські. Тому якщо до якогось співвідношення входять одночасно G, $\hbar$, c, то це означає, що це співвідношення описує явище, яке одночасно є гравітаційним, квантовим і релятивістським. Таким чином, існування планківських величин вказує на можливе існування відповідних явищ у природі.

Звичайно, числові значення l_Pl і t_Pl дуже малі порівняно з характерними значеннями величин у макросвіті. Але це означає лише те, що квантово-гравітаційні ефекти проявляються слабко. Вони могли б бути істотними лише тоді, коли характерні параметри стали б порівнянними з планківськими величинами.

Відмінною рисою явищ мікросвіту є та обставина, що фізичні величини виявляються схильними до так званих квантових флуктуацій. Це означає, що під час багаторазових вимірювань фізичної величини в певному стані принципово мають отримуватися різні числові значення, зумовлені неконтрольованою взаємодією приладу зі спостережуваним об’єктом. Згадаймо, що гравітація пов’язана з проявом кривини простору-часу, тобто з геометрією простору-часу. Тому слід очікувати, що на часових масштабах порядку t_Pl і відстанях порядку l_Pl геометрія простору-часу має стати квантовим об’єктом, а геометричні характеристики мають зазнавати квантових флуктуацій. Іншими словами, на планківських масштабах немає жодної фіксованої просторово-часової геометрії, образно кажучи, простір-час являє собою бурхливу піну.

Послідовної квантової теорії гравітації не побудовано. Через надзвичайно малі значення l_Pl, t_Pl слід очікувати, що в будь-якому осяжному майбутньому не вдасться поставити експерименти, у яких проявилися б квантово-гравітаційні ефекти. Тому теоретичне дослідження питань квантової гравітації залишається єдиною можливістю просування вперед. Чи є, однак, явища, де квантова гравітація могла б виявитися істотною? Так, є, і ми про них уже говорили. Це гравітаційний колапс і Великий вибух. Згідно з класичною теорією гравітації, об’єкт, що зазнає гравітаційного колапсу, має стискатися до як завгодно малих розмірів. Це означає, що його розміри можуть стати порівнянними з l_Pl, де класична теорія вже незастосовна. Так само в процесі Великого вибуху вік Всесвіту був порівнянний з t_Pl і він мав розміри порядку l_Pl. Це означає, що розуміння фізики Великого вибуху неможливе в межах класичної теорії. Таким чином, опис кінцевої стадії гравітаційного колапсу і початкової стадії еволюції Всесвіту може бути здійснений тільки із залученням квантової теорії гравітації.

Слабка взаємодія

Ця взаємодія є найслабшою з фундаментальних взаємодій, експериментально спостережуваних у розпадах елементарних частинок, де принципово істотними є квантові ефекти. Нагадаємо, що квантові прояви гравітаційної взаємодії ніколи не спостерігалися. Слабку взаємодію виокремлюють за допомогою такого правила: якщо в процесі взаємодії бере участь елементарна частинка, яка називається нейтрино (або антинейтрино), то ця взаємодія є слабкою.

Типовий приклад слабкої взаємодії — це бета-розпад нейтрона

$$n \to p + e^- + \bar{\nu}_e,$$

де n — нейтрон, p — протон, e^- — електрон, $\bar{\nu}_e$ — електронне антинейтрино. Слід, однак, мати на увазі, що наведене вище правило зовсім не означає, що будь-який акт слабкої взаємодії обов’язково має супроводжуватися нейтрино або антинейтрино. Відомо, що існує велика кількість безнейтринних розпадів. Як приклад можна зазначити процес розпаду лямбда-гіперона $\Lambda$ на протон p і негативно заряджений піон ${\pi}^{-}.$ За сучасними уявленнями нейтрон і протон не є справді елементарними частинками, а складаються з елементарних частинок, які називаються кварками.

Інтенсивність слабкої взаємодії характеризується константою зв’язку Фермі G_F. Константа G_F є розмірною. Щоб утворити безрозмірну величину, необхідно використати яку-небудь еталонну масу, наприклад масу протона m_p. Тоді безрозмірна константа зв’язку буде

G_Fm_p² ~ 10^-5.

Видно, що слабка взаємодія набагато інтенсивніша за гравітаційну.

Слабка взаємодія, на відміну від гравітаційної, є короткодіючою. Це означає, що слабка взаємодія між частинками починає діяти, тільки якщо частинки перебувають досить близько одна до одної. Якщо ж відстань між частинками перевищує певну величину, яка називається характерним радіусом взаємодії, слабка взаємодія не проявляється. Експериментально встановлено, що характерний радіус слабкої взаємодії становить порядку 10^-15 см, тобто слабка взаємодія зосереджена на відстанях, менших за розміри атомного ядра.

Чому можна говорити про слабку взаємодію як про незалежний вид фундаментальних взаємодій? Відповідь проста. Встановлено, що є процеси перетворень елементарних частинок, які не зводяться до гравітаційних, електромагнітних і сильних взаємодій. Добрий приклад, що показує існування трьох якісно різних взаємодій у ядерних явищах, пов’язаний із радіоактивністю. Експерименти вказують на наявність трьох різних видів радіоактивності: $\alpha-$, $\beta-$ і $\gamma -$ радіоактивних розпадів. При цьому $\alpha$-розпад зумовлений сильною взаємодією, $\gamma$-розпад — електромагнітною. Решту, $\beta-$розпад, не можна пояснити електромагнітною і сильною взаємодіями, і ми змушені визнати, що є ще одна фундаментальна взаємодія, названа слабкою. У загальному випадку необхідність введення слабкої взаємодії зумовлена тим, що в природі відбуваються процеси, у яких електромагнітні та сильні розпади заборонені законами збереження.

Хоча слабка взаємодія значною мірою зосереджена всередині ядра, вона має певні макроскопічні прояви. Як ми вже зазначали, вона пов’язана з процесом $\beta$-радіоактивності. Крім того, слабка взаємодія відіграє важливу роль у так званих термоядерних реакціях, відповідальних за механізм виділення енергії в зорях.

Найдивовижнішою властивістю слабкої взаємодії є існування процесів, у яких проявляється дзеркальна асиметрія. На перший погляд здається очевидним, що різниця між поняттями ліве і праве умовна. Справді, процеси гравітаційної, електромагнітної та сильної взаємодії інваріантні щодо просторової інверсії, яка здійснює дзеркальне відображення. Кажуть, що в таких процесах зберігається просторова парність P. Однак експериментально встановлено, що слабкі процеси можуть відбуватися з незбереженням просторової парності і, отже, начебто відчувають різницю між лівим і правим. Нині є переконливі експериментальні докази того, що незбереження парності в слабких взаємодіях має універсальний характер, воно проявляється не тільки в розпадах елементарних частинок, а й у ядерних і навіть атомних явищах. Слід визнати, що дзеркальна асиметрія є властивістю природи на самому фундаментальному рівні.

Незбереження парності в слабких взаємодіях виглядало настільки незвичайною властивістю, що практично відразу після його відкриття теоретики спробували показати, що насправді існує повна симетрія між лівим і правим, тільки вона має глибший зміст, ніж вважалося раніше. Дзеркальне відображення має супроводжуватися заміною частинок на античастинки (зарядове спряження C), і тоді всі фундаментальні взаємодії мають бути інваріантними. Однак пізніше було встановлено, що ця інваріантність не є універсальною. Існують слабкі розпади так званих довгоживучих нейтральних каонів на піони ${\pi}^{+},$ ${\pi}^{-},$, які були б заборонені, якби зазначена інваріантність справді мала місце. Таким чином, відмінною властивістю слабкої взаємодії є її CP-неінваріантність. Можливо, саме ця властивість відповідальна за те, що речовина у Всесвіті значно переважає над антиречовиною, побудованою з античастинок. Світ і антисвіт несиметричні.

Питання про те, які частинки є переносниками слабкої взаємодії, тривалий час залишалося нез’ясованим. Зрозуміти це вдалося порівняно недавно в межах об’єднаної теорії електрослабких взаємодій — теорії Вайнберга — Салама — Глешоу. Нині загальноприйнято, що переносниками слабкої взаємодії є так звані ${W}^{\pm}$- і Z⁰-бозони. Це заряджені ${W}^{\pm}$ і нейтральна Z⁰ елементарні частинки зі спіном 1 і масами, що за порядком величини дорівнюють 100 m_p.

 Електромагнітна взаємодія

В електромагнітній взаємодії беруть участь усі заряджені тіла, усі заряджені елементарні частинки. У цьому сенсі вона досить універсальна. Класичною теорією електромагнітної взаємодії є максвеллівська електродинаміка. За константу зв’язку приймається заряд електрона e.

Якщо розглянути два нерухомі точкові заряди q₁ і q₂, то їхня електромагнітна взаємодія зведеться до відомої електростатичної сили. Це означає, що взаємодія є далекодійною і повільно спадає зі збільшенням відстані між зарядами.

Класичні прояви електромагнітної взаємодії добре відомі, і ми не будемо на них зупинятися. З погляду квантової теорії переносником електромагнітної взаємодії є елементарна частинка фотон — безмасовий бозон зі спіном 1. Квантова електромагнітна взаємодія між зарядами умовно зображається так:

    Заряджена частинка випромінює фотон, унаслідок чого стан її руху змінюється. Інша частинка поглинає цей фотон і також змінює стан свого руху. У результаті частинки ніби відчувають наявність одна одної. Добре відомо, що електричний заряд є розмірною величиною. Зручно ввести безрозмірну константу зв’язку електромагнітної взаємодії. Для цього треба використати фундаментальні сталі $\hbar$ і c. У результаті отримуємо таку безрозмірну константу зв’язку, яку в атомній фізиці називають сталою тонкої структури $$\alpha= \frac{e^2}{\hbar c} \sim \frac{1}{137}.$$

Легко помітити, що ця константа значно перевищує константи гравітаційної та слабкої взаємодій.

З сучасного погляду електромагнітна і слабка взаємодії є різними сторонами єдиної електрослабкої взаємодії. Створено об’єднану теорію електрослабкої взаємодії — теорію Вайнберга — Салама — Глешоу, яка пояснює з єдиних позицій усі аспекти електромагнітних і слабких взаємодій. Чи можна зрозуміти на якісному рівні, як відбувається поділ об’єднаної взаємодії на окремі, начебто незалежні взаємодії?

Поки характерні енергії досить малі, електромагнітна і слабка взаємодії відокремлені й не впливають одна на одну. Зі зростанням енергії починається їхній взаємний вплив, і за досить великих енергій ці взаємодії зливаються в єдину електрослабку взаємодію.

Характерна енергія об’єднання оцінюється за порядком величини як 10² ГеВ (ГеВ — це скорочення від гігаелектронвольт, 1 ГеВ = 10⁹ еВ, 1 еВ = 1.6•10^-12 ерг = 1.6•10¹⁹ Дж). Для порівняння зазначимо, що характерна енергія електрона в основному стані атома водню — порядку 10^-8 ГеВ, характерна енергія зв’язку атомного ядра — порядку 10^-2 ГеВ, характерна енергія зв’язку твердого тіла — порядку 10^-10 ГеВ. Таким чином, характерна енергія об’єднання електромагнітних і слабких взаємодій величезна порівняно з характерними енергіями в атомній та ядерній фізиці. З цієї причини електромагнітна і слабка взаємодії не виявляють у звичайних фізичних явищах своєї єдиної сутності.

 Сильна взаємодія

Сильна взаємодія відповідальна за стійкість атомних ядер. Оскільки атомні ядра більшості хімічних елементів стабільні, то зрозуміло, що взаємодія, яка утримує їх від розпаду, має бути досить сильною. Добре відомо, що ядра складаються з протонів і нейтронів. Щоб позитивно заряджені протони не розлетілися в різні боки, необхідна наявність сил притягання між ними, які перевищують сили електростатичного відштовхування. Саме сильна взаємодія відповідальна за ці сили притягання.

Характерною рисою сильної взаємодії є її зарядова незалежність. Ядерні сили притягання між протонами, між нейтронами та між протоном і нейтроном по суті однакові. Звідси випливає, що з погляду сильних взаємодій протон і нейтрон нерозрізненні і для них використовується єдиний термін нуклон, тобто частинка ядра.

Характерний масштаб сильної взаємодії можна проілюструвати, розглянувши два нерухомі нуклони. Теорія дає потенціальну енергію їхньої взаємодії у вигляді потенціалу Юкави

$$V(r) = -{g}^{2}{\frac{{e}^{-r/r_0}}{r}}$$

де величина $r_0 \approx 10^{-13}$  см і збігається за порядком величини з характерним розміром ядра, g — константа зв’язку сильної взаємодії. Це співвідношення показує, що сильна взаємодія є короткодійною і по суті повністю зосереджена на відстанях, що не перевищують характерного розміру ядра. При r > r₀ вона практично зникає. Відомим макроскопічним проявом сильної взаємодії є ефект $\alpha$-радіоактивності. Слід, однак, мати на увазі, що потенціал Юкави не є універсальною властивістю сильної взаємодії і не пов’язаний з її фундаментальними аспектами.

Нині існує квантова теорія сильної взаємодії, що отримала назву квантової хромодинаміки. Згідно з цією теорією, переносниками сильної взаємодії є елементарні частинки — глюони. За сучасними уявленнями частинки, що беруть участь у сильній взаємодії і називаються адронами, складаються з елементарних частинок — кварків.

Кварки є ферміонами зі спіном 1/2 і ненульовою масою. Найдивовижнішою властивістю кварків є їхній дробовий електричний заряд. Кварки утворюють три пари (три покоління дублетів), які позначаються так:

Кожен тип кварка прийнято називати ароматом, отже, існує шість кваркових ароматів. При цьому u-, c-, t-кварки мають електричний заряд 2/3|e|, а d-, s-, b-кварки — електричний заряд -1/3|e|, де e — заряд електрона. Крім того, існують три кварки даного аромату. Вони відрізняються квантовим числом, яке називається кольором і набуває трьох значень: жовтий, синій, червоний. Кожному кварку відповідає антикварк, що має протилежний до цього кварка електричний заряд і так званий антиколір: антижовтий, антисиній, античервоний. Беручи до уваги кількість ароматів і кольорів, ми бачимо, що всього існують 36 кварків і антикварків.
    Кварки взаємодіють один з одним шляхом обміну вісьмома глюонами, які є безмасовими бозонами зі спіном 1. У процесі взаємодії кольори кварків можуть змінюватися. При цьому сильна взаємодія умовно зображається так:

Кварк, що входить до складу адрона, випромінює глюон, унаслідок чого стан руху адрона змінюється. Цей глюон поглинається кварком, що входить до складу іншого адрона, і змінює стан його руху. У результаті виникає взаємний вплив адронів один на одного.
    Природа влаштована так, що взаємодія кварків завжди веде до утворення безколірних зв’язаних станів, які якраз і є адронами. Наприклад, протон і нейтрон складаються з трьох кварків: p = uud, n = udd. Піон ${\pi}^{-}$ складається з кварка u і антикварка $\bar{d} : {\pi}^-=u\bar{d}.$ Відмінна риса кварк-кваркової взаємодії через глюони полягає в тому, що зі зменшенням відстані між кварками їхня взаємодія слабшає. Це явище отримало назву асимптотичної свободи і веде до того, що всередині адронів кварки можна розглядати як вільні частинки. Асимптотична свобода природним чином випливає з квантової хромодинаміки. Є експериментальні й теоретичні вказівки на те, що зі збільшенням відстані взаємодія між кварками має зростати, унаслідок чого кваркам енергетично вигідно перебувати всередині адрона. Це означає, що ми можемо спостерігати лише безколірні об’єкти — адрони. Окремі кварки і глюони, що мають колір, не можуть існувати у вільному стані. Явище утримання елементарних частинок, що мають колір, усередині адронів отримало назву конфайнменту. Для пояснення конфайнменту пропонувалися різні моделі, однак послідовного опису, що випливає з перших принципів теорії, досі не побудовано. З якісного погляду труднощі пов’язані з тим, що, маючи колір, глюони взаємодіють з усіма колірними об’єктами, зокрема й один з одним. З цієї причини квантова хромодинаміка є істотно нелінійною теорією, і наближені методи дослідження, прийняті в квантовій електродинаміці та електрослабкій теорії, виявляються не цілком адекватними в теорії сильних взаємодій.

Тенденції об’єднання взаємодій

Ми бачимо, що на квантовому рівні всі фундаментальні взаємодії виявляють себе однаково. Елементарна частинка речовини випромінює елементарну частинку — переносник взаємодії, яку поглинає інша елементарна частинка речовини. Це призводить до взаємного впливу частинок речовини одна на одну.

Безрозмірну константу зв’язку сильної взаємодії можна побудувати за аналогією зі сталою тонкої структури у вигляді $g^2/(\hbar c)\approx >10.$ Якщо порівняти безрозмірні константи зв’язку, то легко помітити, що найслабшою є гравітаційна взаємодія, а за нею йдуть слабка, електромагнітна та сильна.

Якщо взяти до уваги вже розвинену об’єднану теорію електрослабких взаємодій, яку нині називають стандартною, і слідувати тенденції об’єднання, то виникає проблема побудови єдиної теорії електрослабкої та сильної взаємодій. Нині створено моделі такої єдиної теорії, які дістали назву моделей великого об’єднання. Усі ці моделі мають багато спільних рис, зокрема характерна енергія об’єднання виявляється порядку 10¹⁵ ГеВ, що значно перевищує характерну енергію об’єднання електромагнітних і слабких взаємодій. Звідси випливає, що пряме експериментальне дослідження великого об’єднання виглядає проблематичним навіть у досить віддаленому майбутньому. Для порівняння зазначимо, що найбільша енергія, досяжна на сучасних прискорювачах, не перевищує 10³ ГеВ. Тому якщо й буде отримано якісь експериментальні дані щодо великого об’єднання, то вони можуть мати лише непрямий характер. Зокрема, моделі великого об’єднання передбачають розпад протона та існування магнітного монополя великої маси. Експериментальне підтвердження цих передбачень було б грандіозним тріумфом тенденцій об’єднання.

Загальна картина поділу єдиної великої взаємодії на окремі сильну, слабку та електромагнітну взаємодії виглядає так. За енергій порядку 10¹⁵ ГеВ і вище існує єдина взаємодія. Коли енергія стає нижчою за 10¹⁵ ГеВ, сильна та електрослабка взаємодії відокремлюються одна від одної і постають як різні фундаментальні взаємодії. За подальшого зменшення енергії нижче 10² ГеВ відбувається відокремлення слабкої та електромагнітної взаємодій. У результаті на масштабі енергій, характерних для фізики макроскопічних явищ, три розглянуті взаємодії виглядають такими, що не мають єдиної природи.

Зазначимо тепер, що енергія 10¹⁵ ГеВ не так далеко відстоїть від планківської енергії $${E}_{Pl} = {\sqrt{\frac{\hbar {c}^{5}}{G}}} \approx {10}^{19} GeV$$

за якої стають істотними квантово-гравітаційні ефекти. Тому теорія великого об’єднання неминуче веде до проблеми квантової гравітації. Якщо й далі слідувати тенденції об’єднання, ми повинні прийняти ідею про існування однієї всеосяжної фундаментальної взаємодії, яка послідовно розділяється на окремі гравітаційну, сильну, слабку та електромагнітну в міру зниження енергії від планківського значення до енергій, менших за 10² ГеВ.
    Побудова такої грандіозної об’єднавчої теорії, мабуть, нездійсненна в межах системи ідей, що привели до стандартної теорії електрослабких взаємодій і моделей великого об’єднання. Потрібно залучити нові, можливо, на позір божевільні уявлення, ідеї та методи. Попри дуже цікаві підходи, розвинені останнім часом, такі як супергравітація та теорія струн, проблема об’єднання всіх фундаментальних взаємодій залишається відкритою.

Висновок

Отже, ми зробили огляд основних відомостей про чотири фундаментальні взаємодії Природи. Коротко описано мікроскопічні та макроскопічні прояви цих взаємодій, картину фізичних явищ, у яких вони відіграють важливу роль.

Скрізь, де це було можливо, ми намагалися простежити тенденцію об’єднання, відзначити спільні риси фундаментальних взаємодій, навести дані про характерні масштаби явищ. Звичайно, викладений тут матеріал не претендує на повноту розгляду і не містить багатьох важливих деталей, необхідних для систематичного викладу. Докладний опис порушених нами питань вимагає використання всього арсеналу методів сучасної теоретичної фізики високих енергій і виходить за межі цієї статті, науково-популярної літератури. Нашою метою було викласти загальну картину досягнень сучасної теоретичної фізики високих енергій, тенденції її розвитку. Ми прагнули зацікавити читача самостійним, докладнішим вивченням матеріалу. Звичайно, за такого підходу неминучі певні спрощення.

Пропонований список літератури дає змогу підготовленішому читачеві поглибити своє уявлення про питання, розглянуті у статті.

 Рекомендована література

1. Окунь Л.Б. a, b, g,  , Z. М.: Наука, 1985.
2. Окунь Л.Б. Физика элементарных частиц. М.: Наука, 1984.
3. Новиков И.Д. Как взорвалась Вселенная. М.: Наука, 1988.
4. Фридман Д., ван. Ньювенхейзен П. // Успехи физ. наук. 1979. Т. 128. N 135.
5. Хокинг С. От Большого Взрыва до черных дыр: Краткая история времени. М.: Мир, 1990.
6. Девис П. Суперсила: Поиски единой теории природы. М.: Мир, 1989.
7. Зельдович Я.Б., Хлопов М.Ю. Драма идей в познании природы. М.: Наука, 1987.
8. Готтфрид К., Вайскопф В. Концепции физики элементарных частиц. М.: Мир, 1988.
9. Coughlan G.D., Dodd J.E. The Ideas of Particle Physics. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1993.

Автор статті:  І. Л. Бухбіндер — російський фізик-теоретик, доктор фізико-математичних наук, професор, заслужений діяч науки Російської Федерації, дійсний член Міжнародної академії наук вищої школи.

Лише зареєстровані користувачі можуть залишати коментарі. Увійдіть або зареєструйтеся.