М.Г. Иванов - Как понимать квантовую физику (1129349), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Такое притягивание/отталкивание —один из эффектов взаимодействия, не всегда важный (для слабого взаимодействия им обычноможно пренебречь). Взаимодействие в КТП —превращение одних частиц в другие (или такие же!) по определённым правилам (те самыетрёхчастичные взаимодействия, которые упоминались выше). Такие превращения изображаются специальными графическими диаграммами, покоторым можно рассчитать распад/превращение Рис.
1.2. Исаак Ньютончастиц, их притяжение/отталкивание и др. эффек- (1642–1727). [Сара Болтон. W]ты. Например см. рис. 3.10.Гравитационное взаимодействиеВ гравитационном взаимодействии участвуют все поля и частицы. Переносчик гравитационного поля гравитон не имеет массы и, как всякаябезмассовая частица со спином, имеет две поляризации. Гравитон истиннонейтрален. В роли источника поля выступает энергия-импульс. Любая частица несёт энергию-импульс, и любая частица может испустить/поглотитьгравитон (в том числе сам гравитон, что связано с нелинейностью теории).8ГЛАВА 1Гравитон не имеет массы, благодаря чему он устойчив (его собственное время стоит на месте) и распространяется на большие расстояния.
Виртуальные гравитоны обеспечивают медленно спадающее с расстоянием гравитационное притяжение (с медленно убывающим потенциалом ∼ −1/rи силой ∼ −1/r 2 ). Реальные гравитоны образуют гравитационные волны7 .Гравитационное взаимодействие является крайне слабым, однако, поскольку источники одного знака притягиваются друг к другу, возникаюткрупные гравитирующие объекты (галактики, звёзды, планеты), квазистатическое гравитационное поле которых легко обнаружимо (яблоки падают).Гравитационное взаимодействие сравнительно лёгких объектов детектировать намного сложнее.
В частности, до сих пор законы гравитации (ньютоновской или эйнштейновской, в данном случае всё равно) плохо проверенына субмиллиметровом диапазоне расстояний.Рис. 1.3. Гравитационный телескоп (интерферометр Майкельсона, длина плеча == 3 км) VIRGO в Италии — вид на западную трубу от ворот комплекса. [Иван Сивцов. W]Общепринятой классической (т.
е. неквантовой) теорией гравитационного поля является общая теория относительности («гравидинамика»),в пределе слабых полей и малых скоростей переходящая в ньютоновскую теорию всемирного тяготения («гравистатика»). На данный момент не существует общепринятого способа квантового описания гравитационного поля. Сложности с квантованием связаны с тем, что наилучшие классические теории гравитации описывают её через геометриюпространства-времени, тогда как большинство квантовых теорий рассматривает пространство-время как фиксированный фон, а не как динамическую систему. К счастью, гравитационное взаимодействие — самое слабое,7 Гравитационные волны пока не удаётся детектировать, но их существование подтверждается астрономическими наблюдениями тесных двойных систем, в которых падение компонентдруг на друга с большой точностью соответствует потере энергии на гравитационное излучение.
Для детектирования гравитационных волн в настоящее время применяют интерферометры с большой (сотни метров или километры) длиной плеча и гравитационные антенны в видемассивной (несколько тонн) металлической болванки, охлаждённой до низкой температуры.1.1. В ГЛУБЬВЕЩЕСТВА9и во многих задачах им можно пренебречь или рассматривать его в качествеклассического фона.Остальные три взаимодействия весьма успешно описываются в рамкахстандартной модели физики элементарных частиц.Электромагнитное взаимодействиеВ электромагнитном взаимодействии участвуют электрически заряженные частицы. Переносчик электромагнитного поля фотон не имеет массы, как всякая безмассовая частица со спином, имеет две поляризации.Фотон истинно нейтрален.
Сами фотоны электрически не заряжены, нов очень сильных электромагнитных полях могут возникать нелинейные явления, когда фотоны рождают виртуальные электрон-позитронные пары,и уже виртуальный электрон испускает/поглощает новый фотон.Фотон не имеет массы, благодаря чему онустойчив (его собственное время стоит на месте) и распространяется на большие расстояния.
Виртуальные фотоны обеспечивают медленно спадающее с расстоянием электростатическое взаимодействие (с медленно убывающим потенциалом ∼ 1/r и силой ∼ 1/r 2 ).Реальные фотоны образуют электромагнитныеволны (радиоволны, тепловое (инфракрасное)излучение, видимый свет, ультрафиолет, рентгеновское излучение, гамма-излучение).Хотя электромагнитное взаимодействие Рис. 1.4. Джеймс Клеркявляется более сильным, чем гравитационное, Максвелл (1831–1879). Wэлектростатическое отталкивание зарядов одного знака и притяжение зарядов разных знаков приводит к тому, что заряды разных знаков перемешиваются, и их суммарный заряд компенсируется(или почти компенсируется). Крупные тела всегда имеют электрическийзаряд близкий к нулевому (если сравнивать с суммарным зарядом всех частиц одного знака), и на больших расстояниях мы детектируем не электростатическое поле (плотность энергии спадает ∼ 1/r 4 ), а электромагнитноеизлучение (плотность энергии спадает ∼ 1/r 2 ).Классическая теория электромагнитного поля — электродинамикаМаксвелла — была успешно проквантована, в результате была создана квантовая электродинамика (КЭД, QED) — самая разработанная и точно проверенная квантовая теория поля на сегодняшний день.Поскольку окружающее нас вещество — связанные электромагнитнымвзаимодействием положительные и отрицательные электрические заряды,10ГЛАВА 1классическая и квантовая электродинамика составляет физическую основухимии и прочих наук о материалах.Слабое взаимодействиеСлабое взаимодействие было открыто на примере β-распада(n → pW − → peν̄e ).
В слабом взаимодействии участвуют все фундаментальные фермионы.W и Z бозоны имеют массу и спин 1, соответственно каждый из нихимеет по 3 поляризации. Z бозон истинно нейтрален. W + и W − являются античастицами по отношению к друг другу и несут заряд +1 и −1соответственно. При испускании W ± бозона фундаментальный фермионпревращается в верхнего/нижнего партнёра, стоящего в той же клеточкетаблицы (u ↔ d, e ↔ νe и т. п.). Загадочность слабого взаимодействияв том, что оно единственное нарушает зеркальную CP симметрию (толькоиз-за слабого взаимодействия античастицу можно отличить от зеркальногоотражения частицы).Рис.
1.5. Шелдон Глэшоу, Абдус Салам (1926–1996), Стивен Вайнберг.W и Z бозоны имеют очень большую массу (80,4 ГэВ и 91,2 ГэВ, притом, что массы протона и нейтрона ∼ 1 ГэВ). Без помощи ускорителей иликосмических частиц высокой энергии W и Z бозоны проявляются толькокак виртуальные частицы, существующие столь короткое время, что физикидолго не замечали промежуточную стадию β-распада и считали, что слабое взаимодействие является не трёхчастичным, а четырёхчастичным (первая модель слабого взаимодействия, созданная Энрико Ферми в 1934 году). На больших (или даже ядерных) расстояниях слабое взаимодействие(за счёт обмена виртуальными W и Z бозонами) столь незначительно, чтоего невозможно детектировать, и взаимодействие проявляется только через1.1.
В ГЛУБЬВЕЩЕСТВА11превращения частиц. Характерное расстояние, на котором работает слабое взаимодействие, — 10−16 см (размер протона ∼ 10−13 см, размер атома ∼ 1 Å = 10−8 см).Слабое взаимодействие — единственное, которое позволяет детектировать нейтрино (нейтрино также участвует в гравитационном взаимодействии, но гравитационное взаимодействие для отдельного нейтрино слишком слабо).Объединённая теория электромагнитного и слабого взаимодействий,описывающая их как проявления электрослабого взаимодействия, была создана около 1968 года Глэшоу, Саламом и Вайнбергом.Сильное взаимодействиеВ сильном взаимодействии участвуют только кварки и глюоны (сильное взаимодействие нелинейно), а также построенные из них составныечастицы.
Сильное взаимодействие удерживает кварки в адронах, а нуклоны(протоны и нейтроны) в атомных ядрах. Все истинно элементарные сильновзаимодействующие частицы несут специальный заряд — «цвет». В отличие от обычных зарядов, цвет трёхмерен. Все частицы, которые можнонаблюдать в свободном состоянии, цвета не несут. Глюоны имеют спин 1и не имеют массы, поэтому они имеют две спиновых поляризации, однакопомимо спиновой поляризации они имеют ещё цветной заряд, из-за чего общее число поляризаций существенно больше. Сильное взаимодействие неимеет малого параметра, по которому можно было бы разлагать его в ряд(параметр есть, но он порядка 1), из-за чего что-либо аналитически посчитать в рамках квантовой хромодинамики (так называется теория сильноговзаимодействия) очень сложно.
Однако теоретические расчёты и численныевычисления убедительно подтверждают справедливость теории.Хотя глюоны не имеют массы, нелинейные эффекты (то, что самипереносчики взаимодействия несут цветной заряд) приводят к тому, чтоглюоны, как и кварки, не могут вылетать из атомного ядра (конфайнмент). На сравнительно больших расстояниях (порядка размеров нуклона ∼ 10−13 см) глюоны образуют протяжённые конфигурации — глюонные струны, натяжение которых не зависит от длины. Таким образом, потенциальная энергия сильного взаимодействия для частиц, соединённыхглюонной струной, растёт на «больших» (∼ 10−13 см — размер нуклона) расстояниях линейно ∼ r.
Когда расстояние увеличивается настолько,что струне становится энергетически выгодным разорваться с образованием на новых концах пары кварк-антикварк, струна становится неустойчивойи рвётся. Каждая частица, образовавшаяся в результате такого распада, ненесёт цветного заряда и имеет целый электрический заряд.12ГЛАВА 1Адроны не несут цветного заряда, между нимине образуется глюонных струн, но действует остаточное сильное взаимодействие. Энергия остаточного сильного взаимодействия мала по сравнениюс массами адронов, поэтому, например, масса ядраблизка к сумме масс образующих его бесцветныхнуклонов (протонов и нейтронов).
Первая теориясильного межнуклонного взаимодействия, созданнаяХидэки Юкавой (1935 г.), описывала его через обРис. 1.6. Хидэки Юка- мен массивными частицами промежуточной междува (1907–1981). Wэлектроном и протоном массы (пи-мезонами). Эффективный потенциал (потенциал Юкавы) для такой модели отличается откулоновского потенциала экспоненциальным множителем ∼ exp(−r/r0 )/rс характерным расстоянием порядка размера нуклона r0 ∼ 10−13 см.Внутри адронов (и, в частности, нуклонов) сильное взаимодействиенамного сильнее: сумма масс всех входящих в адрон цветных кварков существенно меньше массы самой частицы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
