Etkileşim. Fizikteki temel etkileşim türleri

• 2.2 Zayıf etkileşim
• 5 Doğadaki temel etkileşimler - Özet

1 Doğada mevcut olan temel etkileşimler

1.1 Elektromanyetik temel etkileşimler

1.2 Yerçekimi temel etkileşimleri

2 Kurgusal temel etkileşimler

2.1 Güçlü etkileşim - peri kuarkların peri temel etkileşimi

2.2 Zayıf etkileşim

2.3 Elektromanyetik etkileşim

2.4 Elektrozayıf etkileşim - beşinci muhteşem temel etkileşim

3 Kuantum teorisindeki temel etkileşimler

4 Birleşik bir temel etkileşim teorisinin oluşturulması

Etkileşim teorilerinden ilki kanundu evrensel yerçekimi Isaac Newton tarafından türetilmiş ve 1687 yılında "Matematiksel İlkeler" adlı çalışmada yayınlanmıştır. doğa felsefesi" Poisson'un 1813'te yerçekimi potansiyeli kavramını tanıtması ve yerçekimi potansiyeli için Poisson denklemi, maddenin keyfi bir dağılımıyla yerçekimi alanını incelemeyi mümkün kıldı. Bundan sonra evrensel çekim yasası doğanın temel kanunu, çekim etkileşimi (1863'ten sonra) doğanın temel etkileşimlerinden biri olarak görülmeye başlandı. Ancak bu, fiziğin maddenin ve temel parçacıkların yapısını keşfetmesinden çok önce yapıldı.

Etkileşim teorilerinden ikincisi, 1863'te Maxwell tarafından oluşturulan elektromanyetizma teorisiydi.

1915'te Einstein, yerçekimi alanını tanımlayan genel görelilik teorisini (GR) formüle etti. Fizikte, tıpkı Maxwell'in elektriksel ve manyetik olayların genel bir tanımını oluşturmayı başardığı gibi, iki temel etkileşimin birleşik bir teorisini oluşturma fikri ortaya çıktı. Fizikçilere göre böyle bir birleşik teori, yerçekimi (GTR) ve elektromanyetizmayı belirli bir birleşik etkileşimin kısmi tezahürleri olarak birleştirecektir.

20. yüzyılın ilk yarısında bir takım fizikçiler, Genel Görelilik ve Maxwell'in elektromanyetizma teorisi temelinde böyle bir teori oluşturmak için birçok girişimde bulundular, ancak bu girişimler genel görelilik teorisi ve Maxwell'in elektromanyetizma teorisinin ortaya çıkması nedeniyle olumlu bir sonuç vermedi. elektromanyetizma teorisi özünde farklıdır. Yerçekimi (genel görelilik çerçevesinde) uzay-zamanın eğriliği ile tanımlanır ve bu anlamda yerçekimi alanı önemsizdir, elektromanyetik alan ise her şeyi sergiler. gerekli özellikler konu. - Belki de gelecek teorisini yanlış temeller üzerine kurdular?

20. yüzyılın ikinci yarısında, birleşik bir temel etkileşim teorisi oluşturma görevi, doğada var olmayan (ancak fizik henüz bunu bilmiyordu) varsayımsal zayıf ve güçlü etkileşimlerin ortaya çıkmasıyla önemli ölçüde karmaşıklaştı. teoriyi nicelemenin gerekliliği olarak. – Fizik çıkmaz bir yönde gelişmeye başladı.

1967'de Salam ve Weinberg, (kendi görüşlerine göre) elektromanyetizma ile varsayımsal zayıf kuvveti birleştiren elektrozayıf kuvvet teorisini ortaya attılar. Daha sonra 1973'te varsayımsal güçlü kuvvet teorisi (kuantum renk dinamiği) önerildi. Bunlara dayanarak, daha sonra (kendi görüşüne göre) varsayımsal elektromanyetik, varsayımsal olarak tanımlanan temel parçacıkların Standart Modeline (temel parçacıkların kuark modeline uymayan leptonları alarak) dönüştürülen bir kuark modeli oluşturuldu. zayıf ve varsayımsal güçlü etkileşimler.

Dolayısıyla yakın zamana kadar temel etkileşimler genel olarak kabul edilen iki teoriyle tanımlanıyordu: genel görelilik ve Standart Model. Kuantum yerçekimi teorisinin yaratılmasındaki zorluklar nedeniyle (inanıldığı gibi) birleşmeleri sağlanamadı. – Fizik sonunda kuantum çıkmazına ulaştı, olması gereken de buydu. Ancak genel kabul görmek DOĞRU olmak anlamına gelmez. İkincisi, peri kuarkların, peri gluonların ve peri temel (güçlü ve zayıf) etkileşimlerin modeli olan Standart Model'e atıfta bulunur. Bilimsel teoriyi MASALLAR ile birleştirme girişimi BİLİM'in yozlaşmasına yol açar. Gerçek BİLİM yalnızca GERÇEK ile sınırlıdır ve matematiksel MASALLAR, taraftarlarının aklına gelen her şeyi sahiplenebilir ve bu kurguyu gerçekmiş gibi gösterebilir. Her şeyi icat edebilirsiniz, ancak doğada en az bir kuark veya gluon nerede bulunur (keşfedildiği iddia edilen izler hakkında hikayeler sunmayın) ve 0,000001 saniyeden daha az yaşayan bir parçacığın, yaratımı için Evrende nasıl kütle yaratabileceği. yıldızların termonükleer füzyonundan yeterli enerji gelmiyor: Bu, yıldızların, en yakın gezegene bile ulaşamayan (parçalanmadan sadece birkaç metre önce uçabilen) bu kararsız parçacığı doğaya büyük miktarda sağlayamayacağı anlamına geliyor. diğer gezegenlerin, kuyruklu yıldızların ve asteroitlerin kütlesiyle birlikte yarattığı iddia ediliyor. Hızlandırıcıdaki enerjiden “Higgs bozonu” adı verilen parçacığın yaratılmasından önce de doğada kütle vardı ve akıllı varlıkların hızlandırıcıda yarattığı parçacık çok hızlı bir şekilde bozunduğunda (iki fotonlu bozunmayla yeni bir parçacık oluştu) hızlandırıcıda keşfedildi), Evrendeki kütle hiçbir yerde kaybolmadı. Matematik, en hoş matematiksel modeli çizme yeteneğine sahiptir, ancak ne olacağına yalnızca doğa ve onun yasaları (matematik masalları tarafından pek sevilmeyen) karar verir. Böylece, gerçek bilimsel verileri gizleyen ve sanki öyleymiş gibi davranan, aralıksız bir matematik masalları akışını gözlemliyoruz. en yüksek başarı Bilimler. Ama Alfred Nobel'in vasiyetinde MATEMATİK MASALLARI için kendi adına ödül verilmesine izin verdiğini hatırlamıyorum.

Bugün, 21. yüzyılda, fizik, maddenin yapısı ve atomları ve molekülleri oluşturan temel parçacıklar hakkında çok daha fazla şey biliyor ve aynı zamanda kuantum "teorisi"nin yanlışlığı ve hayali güçlü, zayıf teorisinin yokluğu konusunda da ikna olmuş durumda. ve doğadaki elektrozayıf etkileşimler. 21. yüzyıl fiziği, Genel Görelilik'in önermelerinden birini, yani yerçekimi ve eylemsizlik kuvvetlerinin aynı doğaya sahip olduğunu ve bu doğanın elektromanyetizma olduğunu doğruladı (bkz. Temel parçacıkların yerçekimi teorisi, bölüm 2), ancak aynı zamanda yerçekimi alanının da olduğunu tespit etti. Genel Görelilik için, Evrendeki temel madde parçacıklarını yaratamaz (yerçekimi alanı, bağımsız bir soyut kavram değil, elektromanyetizmanın bir ürünüdür ve temel bir parçacığın yerçekimi alanı, onu üreten elektromanyetik alanı muhteşem bir şekilde sıkıştıramaz. "kara delik") ve Maxwell'in elektromanyetizma denklemlerinde hala bir şeyler eksik - Maxwell'in denklemleri tek bir elektromanyetik dalgayı tanımlamıyor: FOTON ve ayrıca temel parçacıkların sabit elektrik ve manyetik alanları nedeniyle temel parçacıkların içinde OLMAYAN yükleri ve akımları da ortaya koyuyor. Parçacıklar DİPOLAR'dır.

Kuantum mekaniği de sanal parçacıkları ve birçok matematiksel peri masalıyla birlikte Kuantum "teorisini" kaybettiği için daha az acı çekmedi. 21. yüzyıl fiziğinin de kuantum mekaniğinin dalga fonksiyonuna, daha doğrusu onun fiziksel anlamına ilişkin soruları var. Bir atomdaki bir elektronun dönmesi durumunda, dalga fonksiyonunun modülünün karesi (Ψ), elektronun uzayın belirli bir noktasında (temel hacim dv) bulunma olasılığını (dP) belirliyorsa, yani.

dP=|Ψ| 2 günlük

o zaman elektronun kendi içindeki boşluk veya sıfırdan farklı bir durgun kütleye sahip başka bir temel parçacık durumunda, bu anlamsızdır - temel parçacık, uzayın belirli bir bölgesinde mevcuttur ve aynı zamanda komşu bölgelerde de mevcuttur. . Bir temel parçacığın elektrik (E) veya manyetik (H) alan kuvvetinin (hem sabit hem de değişken) sıfırdan farklı olduğu uzay alanlarında, bunların hepsinde bir temel parçacık mevcuttur. Ve temel parçacıkların sabit elektromanyetik alanları sonsuza kadar uzandığından, uzayın her temel hacminde, çok sayıda temel parçacıkların elektromanyetik alanlarının, yakında olmasalar bile aynı anda mevcut olduğu sonucu çıkar. Gördüğümüz gibi, Temel bir parçacığın içinde dalga fonksiyonu genel kabul görmüş fiziksel anlamını kaybetmiştir klasik elektrodinamik için söylenemez. Sonuçta, bir temel parçacığın geri kalan kütlesini belirlemeyi mümkün kılan, Einstein'ın formülüyle birlikte Klasik elektrodinamiktir:
burada belirli integral, temel parçacığın kapladığı alanın tamamı boyunca alınır.

O halde bir elektronun (veya başka bir temel parçacığın) içindeki dalga fonksiyonu neyi yansıtır? - Temel bir parçacığın içinde (foton hariç), fiziğin henüz denklemlerini bulamadığı dalga şeklinde bir elektromanyetik alan döner ve ayrıca sabit dipol elektromanyetik alanlar da vardır. Ve dalga fonksiyonunun bununla ne ilgisi var - belki bir şekilde dalga süreçlerini yansıtıyor olabilir, ama diğer her şeyde olduğu gibi, bu büyük soru. Dalga fonksiyonunun kare modülü (normalleştirilmesine rağmen), temel bir parçacığın hangi kısmının temel bir hacimde yoğunlaştığını gösteremez, çünkü temel parçacıklar aynı zamanda dalga süreçlerinin kapsamının ötesine geçen sabit elektromanyetik alanlara da sahiptir. Ama matematik masalları yazmak çok güzel.

Ancak klasik elektrodinamik için benzer bir sorun zorluk yaratmadı. Kuantum mekaniğine benzer şekilde şunu tanıtalım:

Sırasıyla:
İlginç değil mi? Temel bir parçacığın elektromanyetik enerji yoğunluğunu basitçe tüm elektromanyetik enerjisine böldük - normalleştirmeyi gerçekleştirdik ve şunu elde ettik: temel bir parçacığın elektromanyetik enerjisinin hangi kısmı (ω) (ve dolayısıyla temel parçacığın hangi kısmı) yoğunlaştı uzayın temel hacminde dV. Ve klasik elektrodinamik kendi başına mükemmel bir iş çıkarırken ve fizik de işe yararken, kim bilir neyi yansıtan matematiksel soyutlamaları ve dalga fonksiyonuyla kuantum mekaniği neden burada?

Bugün Kuantum mekaniğinin açıklamaları fizik açısından inkar edilemez bir gerçek olarak kabul edilemez ve deneysel kanıt gerektirir; dolayısıyla Kuantum mekaniği 21. yüzyıl fiziğindeki eski her şeye kadir gücünü kaybetmiştir.

5 Doğadaki temel etkileşimler - Özet

Vladimir Gorunoviç

Yüksek enerji fiziğindeki modern başarılar, Doğanın özelliklerinin çeşitliliğinin etkileşim halindeki temel parçacıklardan kaynaklandığı fikrini giderek güçlendiriyor. Maddenin en temel elementlerinden bahsettiğimiz için, temel bir parçacığın resmi olmayan bir tanımını vermek görünüşe göre imkansızdır. Niteliksel düzeyde, gerçekten temel parçacıkların fiziksel nesneler olduğunu söyleyebiliriz. bileşenler.
Fiziksel nesnelerin temel doğası sorununun öncelikle deneysel bir sorun olduğu açıktır. Örneğin moleküllerin, atomların ve atom çekirdeklerinin, kurucu parçaların varlığını gösteren bir iç yapıya sahip olduğu deneysel olarak tespit edilmiştir. Bu nedenle temel parçacıklar olarak kabul edilemezler. Daha yakın zamanlarda mezon ve baryon gibi parçacıkların da bir iç yapıya sahip olduğu ve bu nedenle temel olmadıkları keşfedildi. Aynı zamanda elektronun iç yapısı hiçbir zaman gözlemlenmemiştir ve bu nedenle temel parçacık olarak sınıflandırılabilir. Temel parçacığın bir başka örneği de ışık kuantumu, yani bir fotondur.
Modern deneysel veriler, temel parçacıkların katıldığı niteliksel olarak yalnızca dört farklı etkileşim türü olduğunu göstermektedir. Bu etkileşimlere temel, yani en temel, ilk, birincil denir. Çevremizdeki Dünyanın tüm özelliklerinin çeşitliliğini hesaba katarsak, Doğada tüm doğal olaylardan sorumlu yalnızca dört temel etkileşimin bulunması kesinlikle şaşırtıcı görünüyor.
Niteliksel farklılıklara ek olarak, temel etkileşimler, etkilerinin gücü açısından niceliksel olarak da farklılık gösterir. yoğunluk. Yoğunluk arttıkça temel etkileşimler şu sıraya göre düzenlenir: yerçekimi, zayıf, elektromanyetik ve güçlü. Bu etkileşimlerin her biri, eşleşme sabiti adı verilen ve sayısal değeri etkileşimin yoğunluğunu belirleyen karşılık gelen bir parametre ile karakterize edilir.
Fiziksel nesneler birbirleriyle temel etkileşimleri nasıl gerçekleştirir? Niteliksel düzeyde bu sorunun cevabı aşağıdaki gibidir. Temel etkileşimler kuantumlar tarafından taşınır. Dahası, kuantum alanında, temel etkileşimler, temel parçacıklar - etkileşimlerin taşıyıcıları adı verilen karşılık gelen temel parçacıklara karşılık gelir. Etkileşim sürecinde, fiziksel bir nesne, başka bir fiziksel nesne tarafından emilen etkileşimin taşıyıcıları olan parçacıklar yayar. Bu, nesnelerin birbirini, enerjilerini, hareket doğasını, durum değişimini algılıyor gibi görünmesine, yani karşılıklı etki yaşamalarına yol açar.
Modern yüksek enerji fiziğinde temel etkileşimleri birleştirme fikri giderek daha önemli hale geliyor. Birleşme fikirlerine göre, Doğada, yerçekimi, zayıf, elektromanyetik, güçlü veya bunların bir kombinasyonu gibi belirli durumlarda kendini gösteren tek bir temel etkileşim vardır. Başarılı uygulama Birleşme fikirleri, elektromanyetik ve zayıf etkileşimlerin artık standart olan birleşik teorisinin yaratılmasından ilham aldı. Büyük birleşme teorisi adı verilen, elektromanyetik, zayıf ve güçlü etkileşimlere ilişkin birleşik bir teori geliştirme çalışmaları devam etmektedir. Dört temel etkileşimin tümünü birleştirecek bir ilke bulma girişimleri yapılıyor. Temel etkileşimlerin ana tezahürlerini sırayla ele alacağız.

Yerçekimi etkileşimi

Bu etkileşim doğası gereği evrenseldir, her türlü madde, tüm doğal nesneler, tüm temel parçacıklar buna katılır! Genel olarak kabul edilen klasik (kuantum değil) teori yerçekimi etkileşimi Einstein'ın genel görelilik teorisidir. Yerçekimi gezegenlerin hareketini belirler yıldız sistemleri, oynuyor önemli rol yıldızlarda meydana gelen süreçlerde Evrenin evrimini kontrol eder ve karasal koşullarda kendini bir kuvvet olarak gösterir karşılıklı çekim. Tabii ki, yerçekimi etkilerinin devasa listesinden sadece az sayıda örneği listeledik.
Genel görelilik teorisine göre yerçekimi, uzay-zamanın eğriliğiyle ilgilidir ve Riemann geometrisi olarak adlandırılan terimlerle tanımlanır. Şu anda yerçekimine ilişkin tüm deneysel ve gözlemsel veriler genel görelilik teorisinin çerçevesine uymaktadır. Ancak güçlü kütleçekim alanlarına ilişkin veriler esasen eksik olduğundan, bu teorinin deneysel yönleri pek çok soru içermektedir. Bu durum, tahminleri genel görelilik teorisinin fiziksel etkilere ilişkin tahminlerinden pratik olarak ayırt edilemeyen çeşitli alternatif yerçekimi teorilerinin ortaya çıkmasına neden olmaktadır. Güneş Sistemi ancak güçlü yerçekimi alanlarında başka sonuçlara yol açar.
Tüm görelilik etkilerini ihmal edersek ve kendimizi zayıf sabit çekim alanlarıyla sınırlarsak, o zaman genel görelilik teorisi Newton'un evrensel çekim teorisine indirgenir. Bu durumda bilindiği gibi iki nokta parçacığının m 1 ve m 2 kütleleriyle etkileşiminin potansiyel enerjisi şu ilişkiyle verilir:

r, parçacıklar arasındaki mesafedir, G, yerçekimi etkileşim sabiti rolünü oynayan Newton yerçekimi sabitidir. Bu ilişki, potansiyel etkileşim enerjisinin V(r) herhangi bir sonlu r için sıfır olmadığını ve çok yavaş bir şekilde sıfıra düştüğünü göstermektedir. Bu nedenle yerçekimsel etkileşimin uzun menzilli olduğu söyleniyor.
Genel görelilik teorisinin birçok fiziksel öngörüsünden üçüne dikkat çekiyoruz. Kütleçekimsel bozuklukların uzayda kütleçekim dalgaları adı verilen dalgalar şeklinde yayılabileceği teorik olarak tespit edilmiştir. Yayılan zayıf yerçekimi bozuklukları birçok yönden elektromanyetik dalgalara benzer. Hızları ışık hızına eşittir, iki polarizasyon durumuna sahiptirler ve girişim ve kırınım olgularıyla karakterize edilirler. Ancak kütleçekim dalgalarının madde ile etkileşiminin son derece zayıf olması nedeniyle doğrudan deneysel olarak gözlemlenmesi henüz mümkün olmamıştır. Ancak bazı verilerden astronomik gözlemlerÇift yıldız sistemlerindeki enerji kaybı, doğada kütleçekim dalgalarının olası varlığını göstermektedir.
Genel görelilik teorisi çerçevesinde yıldızların denge koşullarının teorik olarak incelenmesi, belirli koşullar altında yeterince büyük yıldızların felaketle çökmeye başlayabileceğini göstermektedir. Bunun, yıldızın parlaklığından sorumlu süreçlerin neden olduğu iç basıncın, yıldızı sıkıştırmaya çalışan yerçekimi kuvvetlerinin basıncını dengeleyemediği yıldız evriminin oldukça geç aşamalarında mümkün olduğu ortaya çıktı. Sonuç olarak sıkıştırma işlemi hiçbir şey tarafından durdurulamaz. Genel görelilik teorisi çerçevesinde teorik olarak tahmin edilen açıklanan fiziksel olaya kütleçekimsel çöküş denir. Çalışmalar, bir yıldızın yarıçapının, kütleçekim yarıçapı olarak adlandırılan yarıçaptan daha az olması durumunda,

Rg = 2GM/c2,

M'nin yıldızın kütlesi ve c'nin ışık hızı olduğu durumlarda, dışarıdan bir gözlemci için yıldız söner. Bu yıldızda meydana gelen süreçlere ilişkin hiçbir bilgi dışarıdan bir gözlemciye ulaşamaz. Bu durumda bir yıldızın üzerine düşen cisimler yerçekimi yarıçapını serbestçe geçerler. Eğer bir gözlemci böyle bir cisim olarak düşünülürse, o zaman yerçekimindeki artış dışında hiçbir şeyi fark etmeyecektir. Yani uzayda insanın girebildiği ama ışık huzmesi dahil hiçbir şeyin çıkamadığı bir bölge vardır. Böyle bir uzay bölgesine kara delik denir. Kara deliklerin varlığı, genel görelilik teorisinin teorik tahminlerinden biridir; bazı alternatif çekim teorileri, bu tür fenomenleri tam olarak yasaklayacak şekilde inşa edilmiştir. Bu bağlamda, kara deliklerin gerçekliği sorunu yalnızca önemli. Şu anda Evrende kara deliklerin varlığını gösteren gözlemsel veriler mevcut.
Genel görelilik teorisi çerçevesinde ilk kez Evrenin evrimi problemini formüle etmek mümkün oldu. Böylece Evren bir bütün olarak spekülatif spekülasyonların konusu değil, fizik biliminin bir nesnesi haline gelir. Evreni bir bütün olarak ele alan fizik dalına kozmoloji denir. Artık genişleyen bir evrende yaşadığımız kesin olarak kabul ediliyor.
Evrenin evrimine ilişkin modern tablo, Evrenin, uzay ve zaman gibi nitelikleri de dahil olmak üzere, Büyük Patlama adı verilen özel bir fiziksel olgunun sonucu olarak ortaya çıktığı ve o zamandan beri genişlemekte olduğu fikrine dayanmaktadır. Evrenin evrimi teorisine göre uzak galaksiler arasındaki mesafeler zamanla artmalı ve tüm Evren yaklaşık 3 K sıcaklıktaki termal radyasyonla doldurulmalıdır. Teorinin bu tahminleri astronomik tahminlerle mükemmel bir uyum içindedir. gözlemsel veriler. Aynı zamanda tahminler, Evrenin yaşının yani o tarihten bu yana geçen sürenin de olduğunu gösteriyor. Büyük patlama, yaklaşık 10 milyar yıldır. Büyük Patlama'nın detaylarına gelince, bu olgu yeterince araştırılmamıştır ve Büyük Patlama'nın gizeminden bir meydan okuma olarak bahsedebiliriz. fizik genel olarak. Büyük Patlama mekanizmasının açıklanmasının yeni ve henüz bilinmeyen Doğa yasalarıyla ilişkilendirilmesi mümkündür. Yaygın modern görünüm Büyük Patlama problemine olası bir çözüm, yerçekimi teorisi ile kuantum mekaniğini birleştirme fikrine dayanmaktadır.

Kuantum yerçekimi kavramı

Yerçekimi etkileşiminin kuantum tezahürlerinden bahsetmek mümkün mü? Yaygın olarak inanıldığı gibi, kuantum mekaniğinin ilkeleri evrenseldir ve her türlü fiziksel nesneye uygulanır. Bu anlamda yerçekimi alanı bir istisna değildir. Teorik çalışmalar, kuantum düzeyinde kütleçekimsel etkileşimin, graviton adı verilen temel bir parçacık tarafından taşındığını göstermektedir. Graviton'un 2 spinli kütlesiz bir bozon olduğu belirtilebilir. Graviton değişiminin neden olduğu parçacıklar arasındaki yerçekimi etkileşimi geleneksel olarak aşağıdaki şekilde tasvir edilir:

Parçacık bir graviton yayarak hareket durumunun değişmesine neden olur. Başka bir parçacık gravitonu emer ve aynı zamanda hareketinin durumunu da değiştirir. Bunun sonucunda parçacıklar birbirleriyle etkileşime girer.
Daha önce belirttiğimiz gibi, yerçekimsel etkileşimi karakterize eden eşleşme sabiti Newton sabiti G'dir. G'nin boyutsal bir miktar olduğu iyi bilinmektedir. Açıkçası, etkileşimin yoğunluğunu tahmin etmek için boyutsuz bir bağlanma sabitine sahip olmak uygundur. Böyle bir sabit elde etmek için temel sabitleri (Planck sabiti) ve c'yi (ışık hızı) kullanabilir ve bazı referans kütleleri, örneğin proton kütlesi m p'yi kullanabilirsiniz. O zaman yerçekimsel etkileşimin boyutsuz eşleşme sabiti şu şekilde olacaktır:

Gm p 2 /(c) ~ 6·10 -39 ,

bu elbette çok küçük bir değer.
G, , c temel sabitlerinden uzunluk, zaman, yoğunluk, kütle ve enerji boyutlarına sahip nicelikler oluşturmanın mümkün olduğunu belirtmek ilginçtir. Bu büyüklüklere Planck büyüklükleri denir. Özellikle Planck uzunluğu l Pl ve Planck zamanı t Pl şu şekilde görünür:

Her temel fiziksel sabit, belirli bir dizi fiziksel fenomeni karakterize eder: G - yerçekimi fenomeni, - kuantum, c - göreceli. Bu nedenle, eğer bir ilişki aynı anda G, , c'yi içeriyorsa, bu, bu ilişkinin aynı anda kütleçekimsel, kuantum ve göreli olan bir olguyu tanımladığı anlamına gelir. Dolayısıyla Planck niceliklerinin varlığı, Doğada buna karşılık gelen olayların olası varlığını gösterir.
Elbette l Pl ve t Pl'nin sayısal değerleri, makrokozmostaki niceliklerin karakteristik değerleri ile karşılaştırıldığında çok küçüktür. Ancak bu yalnızca kuantum yerçekimi etkilerinin kendilerini zayıf bir şekilde gösterdiği anlamına gelir. Ancak karakteristik parametreler Planck değerleriyle karşılaştırılabilir hale geldiğinde anlamlı olabilirler.
Mikro dünya olgusunun ayırt edici bir özelliği, fiziksel niceliklerin sözde kuantum dalgalanmalarına maruz kalmasıdır. Bu, tekrarlanan ölçümlerle fiziksel miktar belirli bir durumda, prensip olarak, cihazın gözlemlenen nesneyle kontrolsüz etkileşimi nedeniyle farklı sayısal değerlerin elde edilmesi gerekir. Yerçekiminin uzay-zamanın eğriliğinin tezahürüyle, yani uzay-zamanın geometrisiyle ilişkili olduğunu hatırlayalım. Bu nedenle t Pl mertebesinde ve l Pl mertebesinde mesafelerde uzay-zaman geometrisinin kuantum nesnesi haline gelmesi, geometrik özelliklerin kuantum dalgalanmaları yaşaması beklenmelidir. Başka bir deyişle, Planck ölçeğinde sabit bir uzay-zaman geometrisi yoktur; mecazi anlamda uzay-zaman kaynayan bir köpüktür.
Tutarlı bir kuantum yerçekimi teorisi oluşturulmamıştır. l Pl, t Pl'nin son derece küçük değerleri nedeniyle, öngörülebilir gelecekte kuantum yerçekimi etkilerinin kendini göstereceği deneylerin gerçekleştirilmesinin mümkün olmayacağı beklenmelidir. Bu nedenle, kuantum yerçekimi sorularına yönelik teorik araştırmalar ilerlemenin tek yolu olmaya devam ediyor. Peki kuantum çekiminin önemli olabileceği olaylar var mı? Evet var ve onlardan zaten bahsettik. Bu kütleçekimsel çöküş ve Büyük Patlamadır. Klasik yerçekimi teorisine göre, yerçekimi çökmesine maruz kalan bir nesnenin keyfi olarak küçük bir boyuta sıkıştırılması gerekir. Bu, klasik teorinin artık geçerli olmadığı durumlarda boyutlarının l Pl ile karşılaştırılabilir hale gelebileceği anlamına gelir. Aynı şekilde Büyük Patlama sırasında da Evren'in yaşı tPl ile karşılaştırılabilir düzeydeydi ve boyutları da lPl mertebesindeydi. Bu da Big Bang'in fiziğini klasik teori çerçevesinde anlamanın mümkün olmadığı anlamına geliyor. Bu nedenle, kütleçekimsel çöküşün son aşamasının ve Evrenin evriminin ilk aşamasının açıklaması yalnızca kuantum kütleçekim teorisi kullanılarak gerçekleştirilebilir.

Zayıf etkileşim

Bu etkileşim, kuantum etkilerinin temelde önemli olduğu temel parçacıkların bozunumlarında deneysel olarak gözlemlenen temel etkileşimlerin en zayıfıdır. Yerçekimi etkileşiminin kuantum tezahürlerinin hiçbir zaman gözlemlenmediğini hatırlayalım. Zayıf etkileşim aşağıdaki kural kullanılarak ayırt edilir: Etkileşim sürecine nötrino (veya antinötrino) adı verilen temel bir parçacık katılırsa, bu etkileşim zayıftır.

Zayıf etkileşimin tipik bir örneği, bir nötronun beta bozunmasıdır.

Np + e - + e,

burada n bir nötrondur, p bir protondur, e bir elektrondur, e bir elektron antinötrinosudur. Bununla birlikte, yukarıdaki kuralın, herhangi bir zayıf etkileşim eylemine bir nötrino veya antinötrinonun eşlik etmesi gerektiği anlamına gelmediği akılda tutulmalıdır. Çok sayıda nötrinosuz bozunmanın meydana geldiği bilinmektedir. Örnek olarak, bir lambda hiperonunun bir proton p'ye ve negatif yüklü bir pion π -'ye bozunma sürecini not edebiliriz. Modern kavramlara göre, nötron ve proton gerçekte temel parçacıklar değil, kuark adı verilen temel parçacıklardan oluşur.
Zayıf etkileşimin yoğunluğu Fermi eşleşme sabiti G F ile karakterize edilir. G F sabiti boyutludur. Boyutsuz bir nicelik oluşturmak için, örneğin proton kütlesi m p gibi bir referans kütlesinin kullanılması gerekir. O zaman boyutsuz bağlantı sabiti şu şekilde olacaktır:

G F m p 2 ~ 10 -5 .

Zayıf etkileşimin kütleçekimsel etkileşime göre çok daha yoğun olduğu görülmektedir.
Zayıf etkileşim, yerçekimsel etkileşimin aksine kısa menzillidir. Bu, parçacıklar arasındaki zayıf kuvvetin yalnızca parçacıklar birbirine yeterince yakın olduğunda devreye gireceği anlamına gelir. Parçacıklar arasındaki mesafe, etkileşimin karakteristik yarıçapı adı verilen belirli bir değeri aşarsa, zayıf etkileşim kendini göstermez. Zayıf etkileşimin karakteristik yarıçapının yaklaşık 10-15 cm olduğu, yani zayıf etkileşimin atom çekirdeğinin boyutundan daha küçük mesafelerde yoğunlaştığı deneysel olarak tespit edilmiştir.
Neden bağımsız bir temel etkileşim türü olarak zayıf etkileşimden bahsedebiliriz? Cevap basit. Yerçekimi, elektromanyetik ve güçlü etkileşimlere indirgenmeyen temel parçacıkların dönüşüm süreçlerinin olduğu tespit edilmiştir. Nükleer olaylarda niteliksel olarak farklı üç etkileşimin olduğunu gösteren güzel bir örnek radyoaktiviteden gelir. Deneyler üç farklı türde radyoaktivitenin varlığını göstermektedir: -, - ve -radyoaktif bozunumlar. Bu durumda -bozunma güçlü etkileşimden, -bozunma ise elektromanyetik etkileşimden kaynaklanmaktadır. Geriye kalan bozunma, elektromanyetik ve güçlü etkileşimlerle açıklanamaz ve zayıf denilen başka bir temel etkileşimin daha olduğunu kabul etmek zorunda kalırız. Genel durumda, zayıf etkileşimi devreye sokma ihtiyacı, doğada elektromanyetik ve güçlü bozunmaların koruma yasaları tarafından yasaklandığı süreçlerin meydana gelmesinden kaynaklanmaktadır.
Zayıf etkileşim önemli ölçüde çekirdekte yoğunlaşmış olmasına rağmen, bazı makroskobik belirtilere sahiptir. Daha önce de belirttiğimiz gibi, β-radyoaktivite süreciyle ilişkilidir. Ayrıca zayıf etkileşim, yıldızlarda enerji salınımı mekanizmasından sorumlu termonükleer reaksiyonlar olarak adlandırılan reaksiyonlarda önemli bir rol oynar.
Zayıf etkileşimin en şaşırtıcı özelliği ayna asimetrisinin ortaya çıktığı süreçlerin varlığıdır. İlk bakışta sol ve sağ kavramları arasındaki farkın keyfi olduğu açıktır. Aslında yerçekimsel, elektromanyetik ve güçlü etkileşim süreçleri, ayna yansımasını gerçekleştiren uzaysal ters çevrilmeye göre değişmez. Bu tür süreçlerde P uzaysal paritesinin korunduğu söylenir ancak zayıf süreçlerin uzaysal parite korunmadan ilerleyebildiği ve bu nedenle sol ve sağ arasındaki farkı algılıyor gibi göründüğü deneysel olarak kanıtlanmıştır. Şu anda, zayıf etkileşimlerde paritenin korunmamasının doğası gereği evrensel olduğuna dair sağlam deneysel kanıtlar bulunmaktadır; bu durum yalnızca temel parçacıkların bozunumlarında değil, aynı zamanda nükleer ve hatta atomik olaylarda da kendini göstermektedir. Ayna asimetrisinin en temel düzeyde Doğanın bir özelliği olduğu kabul edilmelidir.
Zayıf etkileşimlerde eşitliğin korunmaması o kadar sıra dışı bir özellik gibi görünüyordu ki, keşfedildikten hemen sonra teorisyenler aslında sol ve sağ arasında tam bir simetri olduğunu, ancak bunun daha önce düşünülenden daha derin bir anlama sahip olduğunu göstermeye çalışmaya başladılar. Ayna yansımasına parçacıkların antiparçacıklarla yer değiştirmesi eşlik etmelidir (yük eşlenikliği C) ve bu durumda tüm temel etkileşimler değişmez olmalıdır. Ancak daha sonra bu değişmezliğin evrensel olmadığı anlaşıldı. Uzun ömürlü nötr kaonların π + , π − piyonlarına zayıf bozunmaları vardır ve eğer belirtilen değişmezlik gerçekten gerçekleşirse bunlar yasaklanacaktır. Böylece, ayırt edici özellik zayıf etkileşim CP'nin değişmezliğidir. Bu özelliğin, Evrendeki maddenin, antipartiküllerden oluşan antimaddeye önemli ölçüde üstün gelmesinden sorumlu olması mümkündür. Dünya ve karşı dünya asimetriktir.
Hangi parçacıkların zayıf etkileşimin taşıyıcısı olduğu sorusu uzun süredir belirsizliğini koruyor. Weinberg-Salam-Glashow teorisi - elektrozayıf etkileşimlerin birleşik teorisi çerçevesinde anlayış nispeten yakın zamanda sağlandı. Zayıf etkileşimin taşıyıcılarının W± ve Z0 bozonları olduğu artık genel olarak kabul edilmektedir. Bunlar yüklü W± ve nötr Z 0 spinli 1 temel parçacıklardır ve kütleleri büyüklük sırasına göre 100 mp'ye eşittir.

Elektromanyetik etkileşim

Tüm yüklü cisimler, tüm yüklü temel parçacıklar elektromanyetik etkileşime katılır. Bu anlamda oldukça evrenseldir. Klasik teori elektromanyetik etkileşim Maxwell elektrodinamiğidir. Elektron yükü e bağlanma sabiti olarak alınır.
Dinlenme halindeki iki şeyi düşünürsek puan ücreti q 1 ve q 2, daha sonra elektromanyetik etkileşimleri bilinen bir elektrostatik kuvvete indirgenecektir. Bu, etkileşimin uzun menzilli olduğu ve yükler arasındaki mesafe arttıkça yavaş yavaş azaldığı anlamına gelir.
Elektromanyetik etkileşimin klasik belirtileri iyi bilinmektedir ve bunların üzerinde durmayacağız. Kuantum teorisi açısından bakıldığında, elektromanyetik etkileşimin taşıyıcısı temel parçacık fotonudur - spin 1'e sahip kütlesiz bir bozon. Yükler arasındaki kuantum elektromanyetik etkileşimi geleneksel olarak şu şekilde gösterilmektedir:

Yüklü bir parçacık bir foton yayarak hareket durumunun değişmesine neden olur. Başka bir parçacık bu fotonu emer ve onun hareket durumunu da değiştirir. Sonuç olarak parçacıklar birbirlerinin varlığını algılıyor gibi görünüyor. Elektrik yükünün boyutsal bir miktar olduğu iyi bilinmektedir. Elektromanyetik etkileşimin boyutsuz bağlanma sabitini tanıtmak uygundur. Bunu yapmak için temel sabitleri ve c'yi kullanmanız gerekir. Sonuç olarak, atom fiziğinde ince yapı sabiti olarak adlandırılan aşağıdaki boyutsuz bağlanma sabitine ulaşıyoruz: α = e 2 /c ≈1/137.

Bu sabitin yerçekimi ve zayıf etkileşim sabitlerini önemli ölçüde aştığını görmek kolaydır.
Modern bir bakış açısına göre, elektromanyetik ve zayıf etkileşimler, tek bir elektrozayıf etkileşimin farklı yönlerini temsil eder. Birleşik bir elektrozayıf etkileşim teorisi oluşturuldu - Weinberg-Salam-Glashow teorisi, elektromanyetik ve zayıf etkileşimlerin tüm yönlerini birleşik bir konumdan açıklıyor. Birleşik etkileşimin ayrı, görünüşte bağımsız etkileşimlere bölünmesinin nasıl gerçekleştiğini niteliksel düzeyde anlamak mümkün müdür?
Karakteristik enerjiler yeterince küçük olduğu sürece elektromanyetik ve zayıf etkileşimler ayrılır ve birbirlerini etkilemezler. Enerji arttıkça karşılıklı etkileri başlar ve yeterince yüksek enerjilerde bu etkileşimler tek bir elektrozayıf etkileşim halinde birleşir. Karakteristik birleşme enerjisinin büyüklük sırasına göre 10 2 GeV olduğu tahmin edilmektedir (GeV, gigaelektron-volt'un kısaltmasıdır, 1 GeV = 10 9 eV, 1 eV = 1,6 10 -12 erg = 1,6 10 19 J). Karşılaştırma için, bir hidrojen atomunun temel durumundaki bir elektronun karakteristik enerjisinin yaklaşık 10-8 GeV, bir atom çekirdeğinin karakteristik bağlanma enerjisinin yaklaşık 10-2 GeV, karakteristik bağlanma enerjisinin yaklaşık 10-2 GeV olduğunu not ediyoruz. sağlam yaklaşık 10 -10 GeV. Bu nedenle, elektromanyetik ve zayıf etkileşimlerin birleşiminin karakteristik enerjisi, atom ve nükleer fizikteki karakteristik enerjilerle karşılaştırıldığında çok büyüktür. Bu nedenle elektromanyetik ve zayıf etkileşimler, sıradan fiziksel olaylarda tek özlerini göstermezler.

Güçlü etkileşim

Güçlü etkileşim atom çekirdeğinin kararlılığından sorumludur. Çoğu atomun çekirdeğinden beri kimyasal elementler Kararlı olduklarına göre onları çürümekten koruyan etkileşimin oldukça güçlü olması gerektiği açıktır. Çekirdeklerin proton ve nötronlardan oluştuğu iyi bilinmektedir. Pozitif yüklü protonların farklı yönlere saçılmasını önlemek için aralarında elektrostatik itme kuvvetlerini aşan çekim kuvvetlerinin bulunması gerekir. Bu çekici güçlerin sorumlusu güçlü etkileşimdir.
Güçlü etkileşimin karakteristik bir özelliği yük bağımsızlığıdır. Protonlar arasındaki, nötronlar arasındaki ve bir proton ile bir nötron arasındaki nükleer çekim kuvvetleri esasen aynıdır. Güçlü etkileşimler açısından proton ve nötronun birbirinden ayırt edilemez olduğu ve onlar için tek bir terimin kullanıldığı sonucu çıkar. nükleon yani çekirdeğin bir parçacığı.

Güçlü etkileşimin karakteristik ölçeği, hareketsiz iki nükleon dikkate alınarak gösterilebilir. Teori şuna yol açar: potansiyel enerji Yukawa potansiyeli biçimindeki etkileşimleri

burada değer r 0 ≈10 -13 cm ve büyüklük sırasına göre çekirdeğin karakteristik boyutuyla çakışıyor, G güçlü etkileşimin bağlanma sabitidir. Bu ilişki, güçlü etkileşimin kısa menzilli olduğunu ve esas olarak çekirdeğin karakteristik boyutunu aşmayan mesafelerde tamamen yoğunlaştığını göstermektedir. r > r 0 olduğunda pratik olarak ortadan kaybolur. Güçlü etkileşimin iyi bilinen bir makroskopik belirtisi radyoaktivitenin etkisidir. Ancak Yukawa potansiyelinin güçlü etkileşimin evrensel bir özelliği olmadığı ve onun temel yönleriyle ilişkili olmadığı unutulmamalıdır.
Şu anda kuantum renk dinamiği adı verilen güçlü etkileşimin kuantum teorisi var. Bu teoriye göre, güçlü etkileşimin taşıyıcıları temel parçacıklar - gluonlardır. Modern kavramlara göre, güçlü etkileşime katılan ve hadron adı verilen parçacıklar, temel parçacıklardan - kuarklardan oluşur.
Kuarklar, spini 1/2 olan ve sıfır olmayan kütleli fermiyonlardır. Kuarkların en şaşırtıcı özelliği kesirli elektrik yükleridir. Kuarklar üç çift (üç kuşak çift) halinde oluşur ve şu şekilde ifade edilir:

Her bir kuark türüne genel olarak çeşni adı verilir, dolayısıyla altı kuark çeşidi vardır. Bu durumda u-, c-, t-kuarkların elektrik yükü 2/3|e| ve d-, s-, b-kuarklar -1/3|e| elektrik yüküdür, burada e elektronun yüküdür. Ayrıca belirli bir çeşnin üç kuarkı vardır. Renk adı verilen ve üç değeri olan bir kuantum sayısında farklılık gösterirler: sarı, mavi, kırmızı. Her kuark, belirli bir kuarkla ilişkili olarak zıt elektrik yüküne ve anti-renk olarak adlandırılan bir anti-sarı, anti-mavi, anti-kırmızıya sahip bir antikuark'a karşılık gelir. Tat ve renk sayıları dikkate alındığında toplam 36 adet kuark ve antikuark bulunduğunu görüyoruz.
Kuarklar birbirleriyle, 1 spinli kütlesiz bozonlar olan sekiz gluonun değişimi yoluyla etkileşime girer. Etkileştikçe kuarkların renkleri değişebilir. Bu durumda güçlü etkileşim geleneksel olarak şu şekilde gösterilmektedir:

Hadronun bir parçası olan kuark, hadronun hareket durumunun değişmesine neden olan bir gluon yayar. Bu gluon, başka bir hadronun parçası olan bir kuark tarafından emilir ve hareketinin durumunu değiştirir. Sonuç olarak hadronlar birbirleriyle etkileşime girer.
Doğa, kuarkların etkileşiminin her zaman tam olarak hadron olan renksiz bağlı durumların oluşumuna yol açacağı şekilde tasarlanmıştır. Örneğin bir proton ve bir nötron üç kuarktan oluşur: p = uud, n = udd. Pion π − bir kuark u ve bir antikuarktan oluşur: π − = u. Gluonlar aracılığıyla kuark-kuark etkileşiminin ayırt edici özelliği, kuarklar arasındaki mesafe azaldıkça etkileşimlerinin zayıflamasıdır. Bu olguya asimptotik özgürlük adı verilmektedir ve hadronların içindeki kuarkların serbest parçacıklar olarak kabul edilebilmesine yol açmaktadır. Asimptotik özgürlük doğal olarak kuantum renk dinamiğinden kaynaklanır. Mesafe arttıkça kuarklar arasındaki etkileşimin artması gerektiğine dair deneysel ve teorik göstergeler vardır, bu nedenle kuarkların hadronun içinde olması enerji açısından uygundur. Bu, yalnızca renksiz nesneleri (hadronları) gözlemleyebileceğimiz anlamına gelir. Renkli olan tekil kuarklar ve gluonlar serbest halde bulunamazlar. Renkli temel parçacıkların hadronların içinde hapsolması olayına hapsolma denir. Hapsedilmeyi açıklamak için çeşitli modeller önerilmiştir, ancak teorinin ilk ilkelerini takip eden tutarlı bir açıklama henüz oluşturulmamıştır. Niteliksel açıdan bakıldığında zorluklar, renkli olan gluonların birbirleri de dahil olmak üzere tüm renkli nesnelerle etkileşime girmesinden kaynaklanmaktadır. Bu nedenle, kuantum renk dinamiği esasen doğrusal olmayan bir teoridir ve kuantum elektrodinamiği ve elektrozayıf teoride benimsenen yaklaşık araştırma yöntemlerinin, güçlü etkileşimler teorisinde tamamen yeterli olmadığı ortaya çıkmıştır.

Etkileşimleri birleştirmedeki eğilimler

Kuantum düzeyinde tüm temel etkileşimlerin aynı şekilde ortaya çıktığını görüyoruz. Bir maddenin temel bir parçacığı, bir maddenin başka bir temel parçacığı tarafından emilen bir etkileşim taşıyıcısı olan temel bir parçacık yayar. Bu, madde parçacıklarının birbirleriyle etkileşimine yol açar.
Güçlü etkileşimin boyutsuz bağlanma sabiti, g2/(c)10 formundaki ince yapı sabitine benzetme yoluyla oluşturulabilir. Boyutsuz eşleşme sabitlerini karşılaştırırsak, en zayıf olanın yerçekimsel etkileşim olduğunu, ardından zayıf, elektromanyetik ve güçlü etkileşimin geldiğini görmek kolaydır.
Şimdi standart olarak adlandırılan, halihazırda geliştirilmiş birleşik elektrozayıf etkileşim teorisini dikkate alırsak ve birleşme eğilimini takip edersek, birleşik bir elektrozayıf ve güçlü etkileşim teorisi oluşturma sorunu ortaya çıkar. Şu anda, büyük birleşme modeli adı verilen böyle bir birleşik teorinin modelleri oluşturulmuştur. Tüm bu modellerin pek çok ortak noktası vardır; özellikle karakteristik birleşme enerjisinin, elektromanyetik ve zayıf etkileşimlerin karakteristik birleşme enerjisini önemli ölçüde aşan 10 · 15 GeV mertebesinde olduğu ortaya çıkar. Buradan şu sonuç çıkıyor: doğrudan deneysel çalışma Büyük birleşme, oldukça uzak bir gelecekte bile sorunlu görünüyor. Karşılaştırma amacıyla, modern hızlandırıcılarla elde edilebilecek en yüksek enerjinin 10 3 GeV'yi aşmadığını belirtelim. Bu nedenle, büyük birleşmeye ilişkin herhangi bir deneysel veri elde edilirse, bunlar ancak dolaylı nitelikte olabilir. Özellikle, büyük birleşik modeller proton bozunumunu ve büyük kütleli bir manyetik tekkutupun varlığını öngörür. Bu tahminlerin deneysel olarak doğrulanması, birleşme eğilimleri için büyük bir zafer olacaktır.
Tek büyük etkileşimin ayrı güçlü, zayıf ve elektromanyetik etkileşimlere bölünmesinin genel resmi aşağıdaki gibidir. 10 15 GeV ve daha yüksek enerjilerde tek bir etkileşim vardır. Enerji 10 15 GeV'nin altına düştüğünde güçlü ve elektrozayıf kuvvetler birbirinden ayrılır ve farklı temel kuvvetler olarak temsil edilir. Enerjinin 10 2 GeV'nin altına daha da düşmesiyle zayıf ve elektromanyetik etkileşimler ayrılır. Sonuç olarak, makroskobik olayların fiziğinin enerji ölçeği karakteristiğinde, söz konusu üç etkileşimin tek bir doğaya sahip olduğu görülmemektedir.
Şimdi 10 15 GeV enerjisinin Planck enerjisinden çok da uzak olmadığını belirtelim.

kuantum-yerçekimi etkilerinin önemli hale geldiği yer. Bu nedenle, büyük birleşik teori zorunlu olarak kuantum kütleçekimi sorununa yol açmaktadır. Birleşme eğilimini daha da takip edersek, enerjinin Planck değerinden enerjilere doğru azalmasıyla birlikte yerçekimsel, güçlü, zayıf ve elektromanyetik olarak ayrı ayrı bölümlere ayrılan kapsamlı bir temel etkileşimin varlığı fikrini kabul etmemiz gerekir. 10 2 GeV'den az.
Böylesine görkemli bir birleştirici teorinin inşası, standart elektrozayıf etkileşimler teorisine ve büyük birleşme modellerine yol açan fikir sistemi çerçevesinde görünüşte mümkün değildir. Yeni, belki de çılgınca görünen fikirleri, fikirleri ve yöntemleri kendinize çekmek gerekir. Son zamanlarda geliştirilen süperkütleçekim ve sicim teorisi gibi çok ilginç yaklaşımlara rağmen, tüm temel etkileşimleri birleştirme sorunu hala açık.

Çözüm

Böylece Doğanın dört temel etkileşimine ilişkin temel bilgileri inceledik. Bu etkileşimlerin mikroskobik ve makroskobik belirtileri ve önemli bir rol oynadıkları fiziksel olayların tablosu kısaca anlatılmaktadır.
Mümkün olan her yerde birleşme eğiliminin izini sürmeye, temel etkileşimlerin ortak özelliklerine dikkat çekmeye ve olayların karakteristik ölçeklerine ilişkin veriler sağlamaya çalıştık. Tabii ki, burada sunulan materyal tam bir inceleme olma iddiasında değil ve pek çok şey içermiyor. önemli ayrıntılar Sistematik sunum için gereklidir. Ortaya koyduğumuz konuların ayrıntılı bir açıklaması, modern teorik yüksek enerji fiziğinin tüm yöntem cephaneliğinin kullanılmasını gerektirir ve bu makalenin, yani popüler bilim literatürünün kapsamı dışındadır. Amacımız, modern teorik yüksek enerji fiziğinin başarılarının ve gelişimindeki eğilimlerin genel resmini sunmaktı. Okuyucunun ilgisini materyalin bağımsız, daha ayrıntılı bir incelemesine uyandırmaya çalıştık. Elbette bu yaklaşımla belli bir kabalaşma kaçınılmazdır.
Önerilen referans listesi, daha hazırlıklı bir okuyucunun makalede tartışılan konulara ilişkin anlayışını derinleştirmesine olanak tanır.

1. Okun L.B. a, b, g, Z.M.: Nauka, 1985.
2. Okun L.B. Temel parçacıkların fiziği. M.: Nauka, 1984.
3. Novikov kimliği. Evren nasıl patladı? M.: Nauka, 1988.
4. Friedman D., van. Nieuwenhuizen P. // Uspekhi fiz. Bilim. 1979. T. 128. N 135.
5. Hawking S. Büyük Patlama'dan kara deliklere: Kısa hikaye zaman. M.: Mir, 1990.
6. Davis P. Superpower: Birleşik bir doğa teorisi arıyor. M.: Mir, 1989.
7. Zeldovich Ya.B., Khlopov M.Yu. Doğa bilgisindeki fikirlerin draması. M.: Nauka, 1987.
8. Gottfried K., Weiskopf W. Temel parçacık fiziği kavramları. M.: Mir, 1988.
9. Coughlan G.D., Dodd J.E. Parçacık Fiziğinin Fikirleri. Cambridge: Cambridge Üniv. Basın, 1993.

Kelimenin tam anlamıyla farklı şeyleri açıklayan kısa eskizler yazmaya devam etmenin değip değmeyeceğini anlamak fiziksel olaylar ve süreçler. Sonuç şüphelerimi giderdi. Devam edeceğim. Ancak oldukça karmaşık olaylara yaklaşmak için ayrı ardışık gönderi dizileri yapmanız gerekecek. Dolayısıyla, Güneş'in ve diğer yıldız türlerinin yapısı ve evrimi hakkındaki hikayeye ulaşmak için, temel parçacıklar arasındaki etkileşim türlerinin bir tanımıyla başlamanız gerekecek. Bununla başlayalım. Formül yok.
Toplamda fizikte dört tür etkileşim bilinmektedir. Herkes çok iyi tanınıyor yerçekimsel Ve elektromanyetik. Ve halk tarafından neredeyse bilinmiyor güçlü Ve zayıf. Bunları sırasıyla açıklayalım.
Yerçekimi etkileşimi . İnsanlar bunu eski çağlardan beri biliyorlar. Çünkü sürekli olarak Dünya'nın çekim alanı içerisindedir. Ve okul fiziğinden, cisimler arasındaki yerçekimi etkileşiminin kuvvetinin, kütlelerinin çarpımı ile orantılı ve aralarındaki mesafenin karesi ile ters orantılı olduğunu biliyoruz. Yerçekimi kuvvetinin etkisi altında Ay, Dünya'nın etrafında döner, Dünya ve diğer gezegenler Güneş'in etrafında döner ve ikincisi, diğer yıldızlarla birlikte Galaksimizin merkezinin etrafında döner.
Yerçekimi etkileşiminin kuvvetinin mesafeyle oldukça yavaş azalması (uzaklığın karesiyle ters orantılı), fizikçileri bu etkileşim hakkında şu şekilde konuşmaya zorluyor: uzun mesafe. Ayrıca cisimler arasında etkili olan yerçekimsel etkileşim kuvvetleri yalnızca çekim kuvvetleridir.
Elektromanyetik etkileşim . Elektrostatik etkileşimin en basit durumunda, okul fiziğinden bildiğimiz gibi, elektrik yüklü parçacıklar arasındaki çekme veya itme kuvveti, elektrik yüklerinin çarpımı ile orantılı ve aralarındaki mesafenin karesi ile ters orantılıdır. Bu, yerçekimi etkileşimi yasasına çok benzer. Tek fark, aynı işaretli elektrik yüklerinin birbirini itmesi, farklı işaretli elektrik yüklerinin ise çekmesidir. Bu nedenle, yerçekimi etkileşimi gibi elektromanyetik etkileşim de fizikçiler tarafından adlandırılmaktadır. uzun mesafe.
Aynı zamanda elektromanyetik etkileşim, yerçekimsel etkileşimden daha karmaşıktır. Okul fiziğinden elektrik alanının elektrik yükleri tarafından yaratıldığını, doğada manyetik yüklerin bulunmadığını ancak manyetik alanın yaratıldığını biliyoruz. elektrik akımları.
Aslında zamanla değişen bir manyetik alanla bir elektrik alanı, zamanla değişen bir elektrik alanıyla da bir manyetik alan oluşturulabilir. Son durum var olmayı mümkün kılar elektromanyetik alan hiçbir elektrik yükü veya akımı olmadan. Ve bu olasılık elektromanyetik dalgalar şeklinde gerçekleşmektedir. Örneğin radyo dalgaları ve ışık kuantumu.
Elektriksel ve yerçekimi kuvvetleri mesafeye eşit derecede bağlı olduğundan, yoğunluklarını karşılaştırmaya çalışmak doğaldır. Böylece, iki proton için yerçekimsel çekim kuvvetlerinin, elektrostatik itme kuvvetlerinden 10 üzeri 36 kat (bir milyar milyar milyar milyar milyar kat) daha zayıf olduğu ortaya çıkar. Bu nedenle, mikro dünyanın fiziğinde, kütleçekimsel etkileşim oldukça makul bir şekilde ihmal edilebilir.
Güçlü etkileşim . Bu - kısa mesafe kuvvet. Yalnızca bir femtometre (milimetrenin trilyonda biri) düzeyindeki mesafelerde ve uzun mesafeler etkileri pratikte hissedilmez. Üstelik bir femtometre mertebesindeki mesafelerde güçlü etkileşim, elektromanyetik olandan yaklaşık yüz kat daha yoğundur.
Bu nedenle atom çekirdeğindeki eşit elektrik yüklü protonlar, elektrostatik kuvvetler tarafından birbirlerinden itilmezler, güçlü etkileşimlerle bir arada tutulurlar. Çünkü bir proton ve bir nötronun boyutları yaklaşık bir femtometredir.
Zayıf etkileşim . Gerçekten çok zayıf. Öncelikle bir femtometreden bin kat daha küçük mesafelerde çalışıyor. Ve uzun mesafelerde neredeyse hiç hissedilmiyor. Bu nedenle güçlü olan gibi o da sınıfa aittir. kısa mesafe. İkincisi, yoğunluğu elektromanyetik etkileşimin yoğunluğundan yaklaşık yüz milyar kat daha azdır. Zayıf kuvvet, temel parçacıkların bazı bozunmalarından sorumludur. Serbest nötronlar dahil.
Maddeyle yalnızca zayıf etkileşim yoluyla etkileşime giren tek bir parçacık türü vardır. Bu bir nötrino. Her saniye cildimizin her santimetrekaresinden neredeyse yüz milyar güneş nötrinosu geçiyor. Ve biz onları hiç fark etmiyoruz. Bu anlamda, yaşamımız boyunca birkaç nötrino'nun vücudumuzdaki maddelerle etkileşime girmesi pek olası değildir.
Tüm bu etkileşim türlerini açıklayan teorilerden bahsetmeyeceğiz. Çünkü bizim için önemli olan, teorisyenlerin zevkleri değil, dünyanın yüksek kaliteli bir resmidir.

Günlük yaşamda cisimlerin çarpışması, sürtünme, patlama, ipliğin gerilmesi, yayın sıkışması vb. durumlardan kaynaklanan çeşitli kuvvetlerle karşılaşırız. Ancak bu kuvvetlerin tamamı atomların birbirleriyle elektromanyetik etkileşiminin sonucudur. Elektromanyetik etkileşim teorisi 1863'te Maxwell tarafından oluşturuldu.

Uzun zamandır bilinen bir diğer etkileşim ise cisimler ile kütle arasındaki yerçekimsel etkileşimdir. 1915'te Einstein, yerçekimi alanını uzay-zamanın eğriliğiyle ilişkilendiren genel görelilik teorisini yarattı.

1930'larda Atom çekirdeklerinin nükleonlardan oluştuğu ve ne elektromanyetik ne de yerçekimsel etkileşimlerin, nükleonları çekirdekte neyin tuttuğunu açıklayamadığı keşfedildi. Güçlü etkileşim, bir çekirdekteki nükleonların etkileşimini tanımlamak için önerildi.

Mikro dünyayı incelemeye devam ettikçe, bazı olayların üç etkileşim türüyle tanımlanmadığı ortaya çıktı. Bu nedenle, nötronun bozunmasını ve diğer benzer süreçleri tanımlamak için zayıf etkileşim önerildi.

Bugün doğada bilinen tüm kuvvetler dört kuvvetin ürünüdür. temel etkileşimler, aşağıdaki sıraya göre azalan yoğunluk sırasına göre düzenlenebilir:

• 1) güçlü etkileşim;
• 2) elektromanyetik etkileşim;
• 3) zayıf etkileşim;
• 4) yerçekimi etkileşimi.

Temel etkileşimler, temel etkileşimlerin taşıyıcıları olan temel parçacıklar tarafından taşınır. Bu parçacıklara denir ölçü bozonları. Bedenlerin temel etkileşim süreci aşağıdaki gibi temsil edilebilir. Her vücut, başka bir vücut tarafından emilen etkileşimlerin taşıyıcıları olan parçacıklar yayar. Bu durumda bedenler karşılıklı etki yaşarlar.

Güçlü etkileşim protonlar, nötronlar ve diğer hadronlar arasında meydana gelebilir (aşağıya bakınız). Kısa menzillidir ve 10 ila 15 m mertebesindeki kuvvetlerin etki yarıçapı ile karakterize edilir.Hadronlar arasındaki güçlü etkileşimin taşıyıcısı Şakayıklar ve etkileşimin süresi yaklaşık 10 23 saniyedir.

Elektromanyetik etkileşim güçlü etkileşimle karşılaştırıldığında dört büyüklük mertebesinde daha düşük yoğunluğa sahiptir. Yüklü parçacıklar arasında meydana gelir. Elektromanyetik etkileşim uzun etkilidir ve kuvvetlerin sonsuz etki yarıçapı ile karakterize edilir. Elektromanyetik etkileşimin taşıyıcısı fotonlar ve etkileşimin süresi yaklaşık 10-20 saniyedir.

Zayıf etkileşim güçlü etkileşimle karşılaştırıldığında 20 kat daha düşük yoğunluğa sahiptir. Hadronlar ve leptonlar arasında meydana gelebilir (aşağıya bakınız). Leptonlar özellikle elektron ve nötrinoyu içerir. Zayıf etkileşimin bir örneği yukarıda tartışılan nötron p-bozunmasıdır. Zayıf etkileşim kısa menzillidir ve 10 ila 18 m mertebesindeki kuvvetlerin etki yarıçapı ile karakterize edilir.Zayıf etkileşimin taşıyıcısı vektör bozonları ve etkileşimin süresi yaklaşık 10 10 saniyedir.

Yerçekimi etkileşimi güçlü etkileşimle karşılaştırıldığında 40 büyüklük mertebesinde daha düşük yoğunluğa sahiptir. Tüm parçacıklar arasında meydana gelir. Yerçekimi etkileşimi uzun etkilidir ve kuvvetlerin sonsuz etki yarıçapı ile karakterize edilir. Yerçekimi etkileşiminin taşıyıcısı olabilir gravitonlar. Bu parçacıklar henüz bulunamamıştır, bunun nedeni yerçekimsel etkileşimin düşük yoğunluğu olabilir. Bu aynı zamanda temel parçacıkların küçük kütleleri nedeniyle nükleer fizik süreçlerindeki bu etkileşimin önemsiz olmasıyla da ilgilidir.

1967'de A. Salam ve S. Weinberg şunu önerdi: elektrozayıf etkileşim teorisi elektromanyetik ve zayıf etkileşimleri birleştiren. 1973'te güçlü etkileşim teorisi oluşturuldu kuantum kromodinamiği. Bütün bunlar yaratmayı mümkün kıldı standart Model Elektromanyetik, zayıf ve güçlü etkileşimleri tanımlayan temel parçacıklar. Burada ele alınan her üç etkileşim türü de, dünyamızın üç tür ayar dönüşümüne göre simetrik olduğu varsayımının bir sonucu olarak ortaya çıkar.