7. Концепции о типах взаимодействий в природе.

7.1 Дально - и близкодействие в историческом аспекте. Гравитационное и кулоновское взаимодействия.

Сложна картина мироздания Вселенной. Она проявляется в многообразии явлений и взаимодействий. Оказалось, что все эти взаимодействия можно свести к четырём видам фундаментальных взаимодействий. Сейчас практически, удалось даже и эти четыре свести в единое взаимодействие – суперсилу. Таким образом, на основе знания физических законов можно изучать с единых позиций Вселенную с момента ее зарождения до настоящего времени, от субмикрочастиц до организации человеческого общества. Физика показывает, что человек, познавший природу, есть единое целое с ней и в неживом и в живом мире. В единстве законов природы проявляется ее гармония, ее согласованность с мировыми постоянными. Когда-нибудь, по-видимому, удастся все-таки нам открыть действительно фундаментальные законы, управляющие Вселенной.

Одним из четырех видов взаимодействий является гравитационное взаимодействие (по Ньютону). Оно описывается соотношением

,   где

Здесь γ – постоянная закона тяготения двух масс m₁ и m₂, находящихся друг от друга на расстоянии r, – единичный вектор, орт.

Вторая сила – сила инерции , задаваемая внешней силой .

Между гравитационной массой (в законе тяготения) и инертной (в законе Ньютона) различий не установлено и Эйнштейн постулировал их равенство. Опираясь, в том числе и на этот постулат, он создал общую теорию относительности. В законах Ньютона (и тяготения в том числе) сила взаимодействия появляется мгновенно, так как считается, что взаимодействие распространяется с бесконечно большой скоростью.

Равенство  составляет содержание принципа эквивалентности этих масс. В теории относительности, где казалось все относительно, были установлены так называемые инварианты (из преобразований Лоренца). Одним из таковых (не изменяющимся при переходе от одной инерциальной к другой инерциальной системе отсчета) является пространственно-временной интервал

Рекомендуемые материалы

Ds = .

Основная идея общей теории относительности в том, что в ней вводится тензор кривизны пространства, связанный с тензором, описывающим поведение источников тяготения. В теории тяготения Эйнштейна уже нет дальнодействия, так как сила взаимодействия между массами m₁ и m₂ передается не мгновенно, а со скоростью c = r / t, где t – время, за которое это взаимодействие передается. Для сил другого вида – электромагнитных (в частности кулоновских) ситуация аналогичная: закон Кулона записан в форме дальнодействия , где q₁, q₂ – электрические заряды. В релятивистской теории Эйнштейна этот закон уже пишется с учетом концепции близкодействия (время запаздывания силы   t = r / c).

7.2 Концепции сильного и слабого взаимодействий.

Физики установили, что атом также имеет сложную структуру и состоит из электронной оболочки и ядра. Ядра в свою очередь состоят из протонов и незаряженных частиц нейтронов (нуклоны). Непонятно, почему ядро не разваливается, хотя протоны расталкивают друг друга будучи одноименно заряженными частицами. Атом имеет размер ~10^–8 см,  ядро ~10^–13 см, масса протона и нейтрона примерно в 1837 раз больше массы электрона. Для обоснования факта существования атомных ядер ввели новый вид сил – сильное взаимодействие для нуклонов (протонов и нейтронов). Причем, эта сила примерно в 100 раз превосходит кулоновское (электромагнитное) взаимодействие.

За счет этих сил в недрах Солнца и звезд непрерывно идут термоядерные реакции с превращением водорода в гелий (на Солнце). Характер сильного взаимодействия проясняет кварковая модель Гелл-Мана (1963). По ней все элементарные частицы состоят из кварков, в том числе нуклоны.

Кварки – это фермионы (полуцелый спин, то есть спиновое квантовое число) с дробным электрическим зарядом  е,   (е – заряд электрона). Считают, что существует шесть разновидностей кварков, отличающихся «ароматом»: u – верхний, d – нижний, o – очарованный, s – странный, b – красивый, t – истинный. Их комбинации дают любую элементарную частицу (например, протон – это uud, нейтрон udd и т.д.).

Переносчиком взаимодействия здесь являются глюоны (для электромагнитного поля – фотоны, для гравитационного – гравитоны). Глюоны не имеют массы покоя и электрического заряда, как и фотоны.

Слабое взаимодействие обуславливает распад протонов и нейтронов. Нейтроны неустойчивы, поэтому идет реакция    с превращением нейтрона в протон, электрон и антинейтрино, протон же распадается на нейтрон, позитрон и нейтрино. Слабое взаимодействие возникает между лептонами - электронами, нейтрино, мюонами, тауонами.

Радиус действия слабого взаимодействия ~10^–16 см. Оно слабее электромагнитного, но намного сильнее гравитационного. Слабое взаимодействие передается частицами – бозонами   и Z⁰.  Масса их ~ в 100 раз больше массы протона:

 имеет заряд ±e, массу 85 m_p,

Z⁰– частицы не имеют заряда, но масса их 95 m_p.

Без этих частиц было бы невозможно образование сложных систем, без кварков не было бы ядер, без лептонов не было бы атомов, химических элементов, жизни.

В Теории Великого Объединения (ТВО), созданной Саламом, Вайнбергом (1967), энергия объединения электрослабого и сильного взаимодействия связана с частицами – переносчиками лептокварками. Их масса (энергия) составляет ~10¹⁵ ГэВ, именно она – прародитель (преон), сыгравший важнейшую роль в рождении вещества сразу после возникновения Вселенной.

Остановимся на понятии суперсилы. В Теорию Великого Объединения входили и монополи (магнитные). Их масса громадна в сравнении с массой нуклонов. Поэтому при аннигиляции монополя и антимонополя выделялась бы гигантская энергия (бинарное оружие). Возникла идея суперсимметрии со спином – ее основой. Эта суперсимметрия соответствует превращению фермиона в бозон и наоборот. То есть она связывает в одно семейство частицы с разными спинами.

Включить в суперсилу теорию гравитации можно лишь при наличии гравитона со спином 2 и, в частности, частиц со спином 3/2 (последних пока опыт не обнаружил). Описание гравитации на языке суперсимметрии называют супергравитацией – такой вариант теории требует существования загадочных частиц «гравитино» и именно со спином 3/2.

Если такие частицы найдут, то идея о суперсиле будет подтверждена. Теоретически это направление суперсимметрии рассматривают как супергравитацию N = 8. В это семейство N = 8 входит 163 частицы: 70 – со спином 0, 56 – со спином 1/2, 28 – со спином 1 и 8 – со спином 3/2, 1 гравитон со спином 2.

Кроме того, она дает описание полей и вещества с использованием квантовых законов.

7.3 Понятие о физическом вакууме как материальной среде.

Пустое пространство, как считают современные ученые космисты, – ключ к пониманию всех взаимодействий. Вакуум в этом смысле существует без полей, частиц и волн. Рассмотрим именно такой идеализированный вакуум (в реальном вакууме есть космические газы и реликтовое излучение). При разработке квантовой теории поля и теории относительности микро- и макромир соприкоснулись посредством мировых констант, без которых ни та, ни другая теория немыслима.

К числу этих констант относятся постоянная закона тяготения γ, скорость света c и постоянная Планка h или ħ= h/2π. Их размерности выражаются через граммы, см, секунды. Тогда из γ, с, ħ  можно получить:

 единицу массы (ħс/γ)^1/2= 2·10^–5г,

 единицу длины (ħγ)^1/2с^–3/2= 1,5·10^–33см

и единицу времени (ħγ)^1/2с^–5/2= 5·10^–44сек.

Это планковские единицы. Они характеризуют масштабы, в которых гравитация объединяется с квантовой физикой.

Люди также интересуются этой лекцией: 63 Эхокардиографические измерения.

Но единица массы здесь 2·10^–5г ≈ 10¹⁹ m_P.  Поэтому в этом случае нужно применять и квантовое соотношение неопределенностей и вероятностное рассмотрение пространства и времени. Это стратегическое направление исследований на 21 век.

Оказалось, что вакуум - не пустота, лишённая вещества, а наполненная виртуальным всплесками энергии субстанция, (это следует из соотношения Гейзенберга для энергии и времени ΔE·Δt ≥ħ, где ΔE  и Δt – соответствующие им неопределенности). В квантовых эффектах могут иметь место отклонения от законов сохранения энергии. Значит, энергию можно на время Δt взять взаймы, а затем вновь отдать частицам-призракам (виртуальным частицам). Их невозможно наблюдать, они не могут передавать сигналы.

Вакуум, по современным представлениям, полон виртуальными частицами. Даже в покое электрон, например, штурмуется этими частицами из вакуума. Фейнман предложил описывать эти взаимодействия диаграммой. Например, частица испускает виртуальный фотон (сама рассеивается – отклоняется). Он рождает пару электрон + позитрон, эти частицы обмениваются виртуальными фотонами, аннигилируют, образуя виртуальный фотон, который поглощается второй частицей. Наблюдать можем мы при этом лишь первую и вторую частицы (реальные).

Существуют и космологические гипотезы возникновения Вселенной. По ним она вначале была в состоянии вакуума («ложного») с силами отрицательного давления. Он взорвался («теория инфляции») и стал удваиваться каждые 10^‑34сек с момента взрыва, оставаясь пустым и холодным. Затем «ложный» вакуум распался, энергия высвободилась в виде излучения, нагревшего Вселенную до 10²⁷ градусов, и тогда в ней начались процессы согласно Теории Великого Объединения (Глэшоу, 1974). С этого момента Вселенная развивалась согласно теории «горячего» Большого Взрыва. И из громадной энергии взрыва возникли вещество и антивещество. Вселенная стала остывать с образованием всех элементарных частиц. Казалось, неоткуда было здесь взяться энергии ~10⁶⁸ Дж. Остается одно объяснение – вакуум – бездонная бочка энергии. А ведь по христианской (и не только) религии Бог сотворил мир из ничего, который ежедневно увеличивал свой объем на 10¹⁸ кубических световых лет.

Как же возникло состояние «ложного» вакуума? Считают, что оно неустойчиво и из него по законам физики выделяется энергия. Переход из «ничего» происходит в сильном электрическом поле (поляризация вакуума) с появлением электронов и позитронов (например, вблизи поверхности ядра урана величина этого поля достаточно для такой поляризации вакуума). Значит «вакуум» испытывает распад, рождая частицы. Тоже самое происходит вблизи «черных дыр» под действием гравитации. Квантовые размеры пространства и времени надо учитывать с момента от ≈10^–44сек до 10^–32 сек, когда и произошел квантовый скачок с возникновением пространства-времени материи. А с момента t > 10^-32сек начался Большой Взрыв Вселенной со всей ее эволюцией, в процессе которой вначале возникли субатомные частицы, затем «космический суп», атомы, химические элементы, плазма, звезды, планеты и жизнь. Так Вселенная осознала саму себя в лице человека.

Новая космология утверждает, что начальное состояние космоса не играет роли, так как информация о нем стерлась в ходе «инфляции» (раздувания пустого «ничего» от ≈10^–44сек до 10^–32 сек.) Следовательно, важно лишь состояние в начале Большого Взрыва. Итак, если раньше люди считали (атеисты), что из «ничего» не рождается ничто, то сегодня на основе законов физики можно утверждать, что из «ничего» произошло «все»!?