Фундаментальное взаимодействие

Эта статья включает в себя список общих ссылок , но он остается в значительной степени непроверенным, поскольку в нем отсутствует достаточное количество соответствующих встроенных ссылок . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью, добавив более точные цитаты. ( Ноябрь 2013 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

В физике , как фундаментальные взаимодействия , известные также как фундаментальные силы , являются взаимодействием , которые не кажутся сводимся к более основным взаимодействиям. Известно, что существуют четыре фундаментальных взаимодействия: гравитационное и электромагнитное взаимодействия, которые создают значительные дальнодействующие силы, эффекты которых можно наблюдать непосредственно в повседневной жизни, и сильные и слабые взаимодействия , которые создают силы на крохотных, субатомных расстояниях и управляют ядерной энергией. взаимодействия. Некоторые ученые предполагают, что пятая сила может существовать, но эти гипотезы остаются спекулятивными. ^{[1][2] [3]}

Каждое из известных фундаментальных взаимодействий можно математически описать как поле . Гравитационная сила приписывается кривизны пространства - времени , описываемого Эйнштейна общей теории относительности . Три другие дискретные квантовые поля , и их взаимодействий опосредованы элементарных частиц , описываемых стандартной модели в физике элементарных частиц . ^[4]

В Стандартной модели сильное взаимодействие осуществляется частицей, называемой глюоном , и отвечает за связывание кварков с образованием адронов , таких как протоны и нейтроны . В качестве остаточного эффекта он создает ядерную силу, которая связывает последние частицы с образованием атомных ядер . Слабое взаимодействие осуществляется частицами, называемыми W- и Z-бозонами , а также действует на ядра атомов , опосредуя радиоактивный распад . Электромагнитная сила, переносимая фотоном , создает электрические и магнитные поля., которые отвечают за притяжение между орбитальными электронами и атомными ядрами, которое удерживает атомы вместе, а также за химические связи и электромагнитные волны , включая видимый свет , и составляют основу электрических технологий. Хотя электромагнитная сила намного сильнее гравитации, она имеет тенденцию нейтрализоваться внутри крупных объектов, поэтому на больших (астрономических) расстояниях гравитация имеет тенденцию быть доминирующей силой и отвечает за удержание вместе крупномасштабных структур во Вселенной, таких как как планеты, звезды и галактики.

Многие физики-теоретики считают, что эти фундаментальные силы связаны и объединяются в единую силу при очень высоких энергиях в крошечном масштабе, масштабе Планка , но ускорители частиц не могут производить огромные энергии, необходимые для экспериментального исследования этого. ^[5] Разработка общей теоретической основы, которая объяснила бы соотношение между силами в единой теории, возможно, является величайшей целью сегодняшних физиков-теоретиков . Слабые и электромагнитные силы уже были объединены с электрослабой теории о Шелдон Глэшоу , Абдуса Салама , и Стивен Вайнбергза что они получили Нобелевскую премию по физике 1979 года. ^{[6] [7] [8]} Некоторые физики стремятся объединить электрослабое и сильное поля в рамках так называемой теории Великого Объединения (GUT). Еще большая проблема - найти способ квантовать гравитационное поле, что приведет к теории квантовой гравитации (КГ), которая объединила бы гравитацию в общей теоретической структуре с тремя другими силами. Некоторые теории, особенно теория струн , ищут как QG, так и GUT в одной структуре, объединяя все четыре фундаментальных взаимодействия вместе с генерацией массы в рамках теории всего (ToE).

История [ править ]

Классическая теория [ править ]

В своей теории 1687 года Исаак Ньютон постулировал пространство как бесконечную и неизменную физическую структуру, существующую до, внутри и вокруг всех объектов, в то время как их состояния и отношения разворачиваются с постоянной скоростью повсюду, таким образом, абсолютное пространство и время . Предполагая, что все объекты, несущие массу, приближаются с постоянной скоростью, но сталкиваются из-за удара, пропорционального их массе, Ньютон пришел к выводу, что материя проявляет силу притяжения. Его закон всемирного тяготения подразумевал мгновенное взаимодействие между всеми объектами. ^{[9] [10]} Согласно традиционной интерпретации, теория движения Ньютона моделирует центральную силу без коммуникационной среды. ^{[11] [12]}Таким образом, теория Ньютона нарушила традицию, восходящую к Декарту , что не должно быть действия на расстоянии . ^[13] И наоборот, в 1820-х годах, объясняя магнетизм, Майкл Фарадей предположил, что поле заполняет пространство и передает эту силу. Фарадей предположил, что в конечном итоге все силы объединятся в одну. ^[14]

В 1873 году Джеймс Клерк Максвелл объединил электричество и магнетизм как эффекты электромагнитного поля, третьим следствием которого стал свет, движущийся с постоянной скоростью в вакууме. Если бы его теория электромагнитного поля была верна во всех инерциальных системах отсчета , это противоречило бы теории движения Ньютона, основанной на теории относительности Галилея . ^[15] Если, вместо этого, его теория поля применяется только к системам отсчета, находящимся в состоянии покоя относительно механического светоносного эфира.- предполагалось, что оно заполняет все пространство, будь то внутри материи или в вакууме, и проявляет электромагнитное поле - тогда это можно было бы согласовать с теорией относительности Галилея и законами Ньютона. (Однако такой «эфир Максвелла» позже был опровергнут; законы Ньютона действительно пришлось заменить.) ^[16]

Стандартная модель [ править ]

Стандартная модель физики элементарных частиц развивалась во второй половине 20 века. В Стандартной модели электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия связаны с элементарными частицами , поведение которых моделируется в квантовой механике (КМ). Для успешного прогнозирования вероятностных результатов КМ физика элементарных частиц традиционно моделирует события КМ в области специальной теории относительности , в целом релятивистской квантовой теории поля (КТП). ^[17] Силовые частицы, называемые калибровочными бозонами - носители силы или частицы-мессенджеры.основных полей - взаимодействуют с частицами материи, называемыми фермионами . Повседневная материя - это атомы, состоящие из трех типов фермионов: ап-кварки и нижние кварки, составляющие ядро ​​атома, а также электроны, вращающиеся вокруг него. Атомы взаимодействуют, образуют молекулы и проявляют другие свойства посредством электромагнитных взаимодействий между своими электронами, поглощающими и испускающими фотоны, носители силы электромагнитного поля, которые, если беспрепятственно пересекают потенциально бесконечное расстояние. КТП электромагнетизма - это квантовая электродинамика (КЭД).

Носителями сил слабого взаимодействия являются массивные W- и Z-бозоны . Электрослабая теория (EWT) охватывает как электромагнетизм, так и слабое взаимодействие. При высоких температурах вскоре после Большого взрыва слабое взаимодействие, электромагнитное взаимодействие и бозон Хиггса изначально были смешанными компонентами другого набора древних полей, нарушающих предварительную симметрию. Когда ранняя Вселенная остыла, эти поля разделились на дальнодействующее электромагнитное взаимодействие, короткодействующее слабое взаимодействие и бозон Хиггса. В механизме Хиггса, поле Хиггса проявляет бозоны Хиггса, которые взаимодействуют с некоторыми квантовыми частицами таким образом, что наделяют эти частицы массой. Сильное взаимодействие, носителем силы которого является глюон , преодолевая незначительное расстояние между кварками, моделируется в квантовой хромодинамике (КХД). ЭВТ, ОТК и Хиггс механизм включает в физике элементарных частиц " стандартная модель (СМ). Прогнозы обычно делаются с использованием методов расчетной аппроксимации, хотя такая теория возмущений неадекватна для моделирования некоторых экспериментальных наблюдений (например, связанных состояний и солитонов ). Тем не менее, физики широко принимают Стандартную модель как наиболее экспериментально подтвержденную теорию науки.

Помимо Стандартной модели , некоторые теоретики работают над объединением электрослабых и сильных взаимодействий в рамках Теории Великого Объединения ^[18] (GUT). Некоторые попытки GUT выдвигают гипотезу о «теневых» частицах, так что каждая известная частица материи ассоциируется с неоткрытой силовой частицей , и наоборот, в целом суперсимметрия (SUSY). Другие теоретики стремятся квантовать гравитационное поле, моделируя поведение его гипотетического носителя силы, гравитона, и достигают квантовой гравитации (КГ). Один из подходов к КГ - петлевая квантовая гравитация.(LQG). Третьи теоретики ищут как QG, так и GUT в рамках одной концепции, сводя все четыре фундаментальных взаимодействия к Теории Всего (ToE). Наиболее распространенной целью ToE является теория струн , хотя для моделирования частиц материи она добавляла SUSY к силовым частицам - и так, строго говоря, стала теорией суперструн . Множественные, на первый взгляд разрозненные теории суперструн были объединены на основе М-теории . Теории, выходящие за рамки Стандартной модели, остаются в высшей степени спекулятивными, не имея большой экспериментальной поддержки.

Обзор фундаментальных взаимодействий [ править ]

В концептуальной модели фундаментальных взаимодействий материя состоит из фермионов , которые обладают свойствами, называемыми зарядами и спином ± 1 ⁄ 2 (собственный угловой момент ± ħ ⁄ 2 , где ħ - приведенная постоянная Планка ). Они притягивают или отталкивают друг друга, обмениваясь бозонами .

Тогда взаимодействие любой пары фермионов в теории возмущений можно смоделировать следующим образом:

Два фермиона входят → взаимодействие путем бозонного обмена → Два измененных фермиона гаснут.

Обмен бозонами всегда передает энергию и импульс между фермионами, тем самым изменяя их скорость и направление. Обмен может также переносить заряд между фермионами, изменяя заряды фермионов в процессе (например, переводя их с одного типа фермиона на другой). Так как бозонов несут одну единицу углового момента, направление спина фермиона будет флип от + 1 / 2 до - 1 / 2 (или наоборот) во время такого обмена (в единицах уменьшенной постоянной Планка ). Поскольку такие взаимодействия приводят к изменению импульса, они могут привести к возникновению классических ньютоновских сил.. В квантовой механике физики часто используют термины «сила» и «взаимодействие» как синонимы; например, слабое взаимодействие иногда называют «слабым взаимодействием».

Согласно нынешнему пониманию, существует четыре фундаментальных взаимодействия или силы: гравитация , электромагнетизм, слабое взаимодействие и сильное взаимодействие. Их величина и поведение сильно различаются, как описано в таблице ниже. Современная физика пытается объяснить эти фундаментальные взаимодействия каждое наблюдаемое физическое явление . Более того, желательно уменьшить количество различных типов взаимодействия. Речь идет о двух случаях объединения :

• Электрическая и магнитная сила в электромагнетизме;
• Электромагнитное взаимодействие и слабое взаимодействие в электрослабого взаимодействия; см. ниже.

Как величина («относительная сила»), так и «диапазон» соответствующего потенциала, как указано в таблице, имеют смысл только в рамках довольно сложной теоретической основы. В таблице ниже перечислены свойства концептуальной схемы, которая остается предметом текущих исследований.

Взаимодействие	Текущая теория	Посредники	Относительная сила [19]	Поведение на расстоянии	Диапазон (м) [ необходима ссылка ]
Слабый	Электрослабая теория (EWT)	W- и Z-бозоны	10 25	${\ displaystyle {\ frac {1} {r}} \ e ^ {- m_ {W, Z} \ r}}$	10 −18
Сильный	Квантовая хромодинамика (КХД)	глюоны	10 38	${\ displaystyle {\ sim r}}$ ( Ограничение цвета , см. Обсуждение ниже )	10 −15
Электромагнитный	Квантовая электродинамика (КЭД)	фотоны	10 36	${\ displaystyle {\ frac {1} {r}}}$	∞
Гравитация	Общая теория относительности (ОТО)	гравитоны (гипотетические)	1	${\ displaystyle {\ frac {1} {r}}}$	∞

Современный (пертурбативный) квантово-механический взгляд на фундаментальные силы, отличные от гравитации, состоит в том, что частицы вещества ( фермионы ) не взаимодействуют напрямую друг с другом, а скорее несут заряд и обмениваются виртуальными частицами ( калибровочными бозонами ), которые являются взаимодействием носители или посредники. Например, фотоны опосредуют взаимодействие электрических зарядов , а глюоны опосредуют взаимодействие цветных зарядов . Полная теория включает не только фермионы, обменивающиеся бозонами, но и возмущения; эти дополнительные возмущения могут включать бозоны, которые обмениваются фермионами, а также создание или разрушение частиц: см. диаграммы Фейнмана Например.

Взаимодействия [ править ]

Гравитация [ править ]

Гравитация на сегодняшний день является самым слабым из четырех взаимодействий на атомном уровне, где преобладают электромагнитные взаимодействия. Но идея о том, что слабость гравитации можно легко продемонстрировать, подвешивая штифт с помощью простого магнита (например, магнита на холодильник), в корне ошибочна. Единственная причина, по которой магнит может удерживать штифт против гравитационного притяжения всей Земли, связана с его относительной близостью. Очевидно, что существует небольшое расстояние между магнитом и штифтом, где достигается точка разрыва, и из-за большой массы Земли это расстояние довольно мало.

Гравитация - самая важная из четырех фундаментальных сил для астрономических объектов на астрономических расстояниях по двум причинам. Во-первых, гравитация имеет бесконечный эффективный диапазон, как и электромагнетизм, но в отличие от сильного и слабого взаимодействий. Во-вторых, гравитация всегда притягивает и никогда не отталкивает; напротив, астрономические тела стремятся к почти нейтральному чистому электрическому заряду, так что притяжение к одному типу заряда и отталкивание от противоположного заряда в основном компенсируют друг друга. ^[20]

Несмотря на то, что электромагнетизм намного сильнее гравитации, электростатическое притяжение не имеет отношения к большим небесным телам, таким как планеты, звезды и галактики, просто потому, что такие тела содержат равное количество протонов и электронов и поэтому имеют нулевой чистый электрический заряд. Ничто не «отменяет» гравитацию, поскольку она только притягивает, в отличие от электрических сил, которые могут быть притягивающими или отталкивающими. С другой стороны, все объекты, имеющие массу, подвержены силе гравитации, которая только притягивает. Следовательно, только гравитация имеет значение для крупномасштабной структуры Вселенной.

Большой радиус действия гравитации делает его ответственным за такие крупномасштабные явления, как структура галактик и черные дыры, и замедляет расширение Вселенной . ^{[ необходима цитата ]} Гравитация также объясняет астрономические явления в более скромных масштабах, таких как планетные орбиты , а также повседневный опыт: объекты падают; тяжелые предметы действуют так, как будто они приклеены к земле, и животные могут прыгать только так высоко.

Гравитация была первым взаимодействием, которое было описано математически. В древности Аристотель предположил, что предметы разной массы падают с разной скоростью. В ходе научной революции , Галилео Галилей экспериментально установлено , что эта гипотеза была неправильно при определенных обстоятельствах - пренебрегая трение из - за сопротивление воздуха и силу плавучести , если атмосфера присутствует (например , в случае упавший воздух заполненного баллона против заполненной воды воздушный шар) все объекты ускоряются к Земле с одинаковой скоростью. Закон всемирного тяготения Исаака Ньютона (1687 г.) был хорошим приближением к поведению гравитации. Наше современное понимание гравитации происходит от Эйнштейна.Общая теория относительности 1915 года, более точным (особенно для космологических масс и расстояний) описание гравитации в терминах геометрии в пространстве - времени .

Объединение общей теории относительности и квантовой механики (или квантовой теории поля ) в более общую теорию квантовой гравитации - область активных исследований. Предполагается, что гравитация опосредована безмассовой частицей со спином 2, называемой гравитоном .

Хотя общая теория относительности была экспериментально подтверждена (по крайней мере, для слабых полей ^{[ какие? ]} ) Во всех масштабах, кроме мельчайших, существуют конкурирующие теории гравитации. Те, кого всерьез воспринимают ^{[ цитата требуется ]} физическим сообществом, все сводятся к общей теории относительности в некотором пределе, и фокус наблюдательной работы состоит в том, чтобы установить ограничения на возможные отклонения от общей теории относительности.

Предлагаемые дополнительные измерения могут объяснить, почему сила гравитации настолько мала. ^[21]

Электрослабое взаимодействие [ править ]

Электромагнетизм и слабое взаимодействие кажутся очень разными при повседневных низких энергиях. Их можно смоделировать с помощью двух разных теорий. Однако выше энергии объединения порядка 100 ГэВ они сливаются в одну электрослабую силу.

Теория электрослабого взаимодействия очень важна для современной космологии , особенно в отношении того, как развивалась Вселенная . Это связано с тем, что вскоре после Большого взрыва, когда температура все еще была выше примерно 10 ¹⁵  К , электромагнитная сила и слабая сила все еще слились в комбинированную электрослабую силу.

За вклад в объединение слабого и электромагнитного взаимодействия между элементарными частицами Абдус Салам, Шелдон Глэшоу и Стивен Вайнберг были удостоены Нобелевской премии по физике в 1979 году. ^{[22] [23]}

Электромагнетизм [ править ]

Электромагнетизм - это сила, действующая между электрически заряженными частицами. Это явление включает электростатическую силу, действующую между заряженными частицами в состоянии покоя, и комбинированный эффект электрических и магнитных сил, действующих между заряженными частицами, движущимися относительно друг друга.

Электромагнетизм имеет бесконечный диапазон, как гравитация, но намного сильнее его, и поэтому описывает ряд макроскопических явлений повседневного опыта, таких как трение , радуги , молнии и все созданные человеком устройства, использующие электрический ток , такие как телевидение, лазеры и т. Д. и компьютеры . Электромагнетизм фундаментально определяет все макроскопические и многие атомные уровни свойств химических элементов , включая все химические связи .

В четырехкилограммовом (~ 1 галлоне) кувшине воды находится

${\ displaystyle 4000 \ {\ mbox {g}} \, H_ {2} O \ cdot {\ frac {1 \ {\ mbox {mol}} \, H_ {2} O} {18 \ {\ mbox {g }} \, H_ {2} O}} \ cdot {\ frac {10 \ {\ mbox {mol}} \, e ^ {-}} {1 \ {\ mbox {mol}} \, H_ {2} O}} \ cdot {\ frac {96 000 \ {\ mbox {C}} \,} {1 \ {\ mbox {mol}} \, e ^ {-}}} = 2,1 \ times 10 ^ {8} C \ \, \}$

полного заряда электрона. Таким образом, если мы поместим два таких кувшина на расстоянии метра друг от друга, электроны в одном из них отталкивают электроны в другом кувшине с силой

${\displaystyle {1 \over 4\pi \varepsilon _{0}}{\frac {(2.1\times 10^{8}C)^{2}}{(1m)^{2}}}=4.1\times 10^{26}N.}$

Эта сила во много раз превышает вес планеты Земля. В атомных ядер в одном кувшине также отразить те , в другой с такой же силой. Однако эти силы отталкивания нейтрализуются притяжением электронов в кувшине A с ядрами в кувшине B и притяжением ядер в кувшине A с электронами в кувшине B, в результате чего отсутствует результирующая сила. Электромагнитные силы намного сильнее гравитации, но уравновешиваются, так что для больших тел преобладает гравитация.

Электрические и магнитные явления наблюдались с древних времен, но только в 19 веке Джеймс Клерк Максвелл обнаружил, что электричество и магнетизм - это два аспекта одного и того же фундаментального взаимодействия. К 1864 году уравнения Максвелла строго количественно оценили это единое взаимодействие. Теория Максвелла, переформулированная с использованием векторного исчисления , представляет собой классическую теорию электромагнетизма, подходящую для большинства технологических целей.

Постоянная скорость света в вакууме (обычно описываемая строчной буквой «с») может быть получена из уравнений Максвелла, которые согласуются со специальной теорией относительности. Однако специальная теория относительности Альберта Эйнштейна 1905 года , которая следует из наблюдения, что скорость света постоянна независимо от того, с какой скоростью движется наблюдатель, показала, что теоретический результат, вытекающий из уравнений Максвелла, имеет глубокие последствия, выходящие далеко за рамки электромагнетизма. сама природа времени и пространства.

В другой работе, которая отошла от классического электромагнетизма, Эйнштейн также объяснил фотоэлектрический эффект , используя открытие Макса Планка о том, что свет передается «квантами» с определенным энергетическим содержанием на основе частоты, которую мы теперь называем фотонами . Начиная примерно с 1927 года Поль Дирак объединил квантовую механику с релятивистской теорией электромагнетизма . Дальнейшая работа в 1940-х годах Ричарда Фейнмана , Фримена Дайсона , Джулиана Швингера и Син-Итиро Томонага завершила эту теорию, которая теперь называется квантовой электродинамикой., переработанная теория электромагнетизма. Квантовая электродинамика и квантовая механика обеспечить теоретическую основу для электромагнитного поведения , таких как квантовое туннелирование , в котором определенный процент электрический заряженные частиц перемещаться таким образом , что было бы невозможно в рамках классической электромагнитной теории, что необходимо для повседневных электронных устройств , таких как транзисторы в функция.

Слабое взаимодействие [ править ]

Слабое взаимодействие или слабая ядерная сила отвечает за некоторые ядерные явления , такие как бета - распад . Электромагнетизм и слабое взаимодействие теперь понимаются как два аспекта единого электрослабого взаимодействия - это открытие стало первым шагом к единой теории, известной как Стандартная модель . В теории электрослабого взаимодействия носителями слабого взаимодействия являются массивные калибровочные бозоны, называемые W- и Z-бозонами . Слабое взаимодействие - единственное известное взаимодействие, которое не сохраняет четность ; он лево-правый асимметричный. Слабое взаимодействие даже нарушает CP-симметрию, носохранить CPT .

Сильное взаимодействие [ править ]

Сильное взаимодействие , или сильные ядерные силы , является наиболее сложным взаимодействием, в основном из - за способом его изменяется с расстоянием. Он неограниченно увеличивается с расстоянием, в конечном итоге превышая энергию, необходимую для создания пары, изменяя характер вовлеченного адрона. На расстояниях более 10 фемтометров сильная сила практически не наблюдается. Причем держится только внутри атомного ядра.

После открытия ядра в 1908 году стало ясно, что новая сила, известная сегодня как ядерная сила, необходима для преодоления электростатического отталкивания , проявления электромагнетизма, положительно заряженных протонов. В противном случае ядра не могло бы существовать. Более того, сила должна быть достаточно сильной, чтобы сжать протоны в объем, диаметр которого составляет примерно 10 ^-15 м , что намного меньше диаметра всего атома. Хидеки Юкава предсказал, что с близкого расстояния эта сила связана с массивной частицей, масса которой составляет примерно 100 МэВ.

Открытие пиона в 1947 году открыло новую эру физики элементарных частиц. Сотни адронов были открыты с 1940-х по 1960-е годы, и была разработана чрезвычайно сложная теория адронов как сильно взаимодействующих частиц. В первую очередь:

• Под пионами понимались колебания вакуумных конденсатов ;
• Джун Джон Сакураи предположил, что векторные бозоны rho и omega являются частицами, несущими силу, для приблизительной симметрии изоспина и гиперзаряда ;
• Джеффри Чу , Эдвард К. Бёрдетт и Стивен Фраучи сгруппировали более тяжелые адроны в семейства, которые можно понять как колебательные и вращательные возбуждения струн .

Хотя каждый из этих подходов предлагал глубокое понимание, ни один подход не привел непосредственно к фундаментальной теории.

Мюррей Гелл-Манн вместе с Джорджем Цвейгом впервые предложили фракционно заряженные кварки в 1961 году. На протяжении 1960-х годов различные авторы рассматривали теории, подобные современной фундаментальной теории квантовой хромодинамики (КХД), как простые модели взаимодействия кварков. Первыми, кто выдвинул гипотезу о глюонах КХД, были Му-Ён Хан и Йоитиро Намбу , которые ввели цвет кварковзаряд и предположил, что это может быть связано с силовым полем. Однако в то время было трудно понять, как такая модель могла постоянно удерживать кварки. Хан и Намбу также приписали каждому цвету кварка целочисленный электрический заряд, так что кварки были заряжены лишь частично, и они не ожидали, что кварки в их модели будут постоянно ограничены.

В 1971 году Мюррей Гелл-Манн и Харальд Фрич предположили, что калибровочное поле Хана / Намбу является правильной теорией взаимодействий на малых расстояниях дробно заряженных кварков. Чуть позже Дэвид Гросс , Фрэнк Вильчек и Дэвид Политцер обнаружили, что эта теория обладает свойством асимптотической свободы , что позволяет им соприкасаться с экспериментальными данными.. Они пришли к выводу, что КХД является полной теорией сильных взаимодействий, правильной на всех дистанциях. Открытие асимптотической свободы привело большинство физиков принять КХД , поскольку стало ясно , что даже свойства междугородних сильных взаимодействий могут быть согласуются с экспериментом , если кварки постоянно ограничены : сильные увеличения силы до бесконечности с расстоянием захватом кварков внутри адроны.

Предполагая, что кварки ограничены, Михаил Шифман , Аркадий Вайнштейн и Валентин Захаров смогли вычислить свойства многих низколежащих адронов непосредственно из КХД, имея лишь несколько дополнительных параметров для описания вакуума. В 1980 году Кеннет Г. Уилсон опубликовал компьютерные расчеты, основанные на первых принципах КХД, установив, с уровнем достоверности, равным уверенности, что КХД будет ограничивать кварки. С тех пор КХД стала общепризнанной теорией сильных взаимодействий.

КХД - это теория дробно заряженных кварков, взаимодействующих с помощью 8 бозонных частиц, называемых глюонами. Глюоны взаимодействуют друг с другом, а не только с кварками, и на больших расстояниях силовые линии собираются в струны, слабо моделируемые линейным потенциалом, постоянной силой притяжения. Таким образом, математическая теория КХД не только объясняет, как кварки взаимодействуют на коротких расстояниях, но и обнаруживает струнное поведение, обнаруженное Чу и Фраучи, которое они проявляют на больших расстояниях.

Взаимодействие Хиггса [ править ]

Обычно взаимодействие Хиггса не входит в число четырех фундаментальных сил. ^{[24] [25]}

Тем не менее, хотя кубическое взаимодействие Юкавы поля Хиггса и не является калибровочным взаимодействием и не порождается какой-либо симметрией диффеоморфизма , оно дает слабо притягивающее пятое взаимодействие. После спонтанного нарушения симметрии через механизм Хиггса члены Юкавы сохраняют вид

${\displaystyle {\frac {\lambda _{i}}{\sqrt {2}}}{\bar {\psi }}\phi '\psi ={\frac {m_{i}}{\nu }}{\bar {\psi }}\phi '\psi }$,

с взаимодействием Юкавы , массой частицы (в эВ ) и математическим ожиданием Хиггса${\displaystyle \lambda _{i}}$${\displaystyle m_{i}}$ 246,22 ГэВ . Следовательно, связанные частицы могут обмениваться виртуальным бозоном Хиггса, давая классические потенциалы вида

${\displaystyle V(r)=-{\frac {m_{i}m_{j}}{m_{H}^{2}}}{\frac {1}{4\pi r}}e^{-m_{H}\,c\,r/\hbar }}$,

с массой Хиггса 125,18 ГэВ . Поскольку уменьшается комптоновская длина волны от бозона Хиггса настолько мала (1,576 × 10 ⁻¹⁸  м , что сравнимо с W- и Z-бозонами ), этот потенциал имеет эффективный диапазон в несколько аттометров . Между двумя электронами оно начинается примерно в 10 ¹¹ раз слабее, чем слабое взаимодействие , и экспоненциально становится слабее на ненулевых расстояниях.

За пределами стандартной модели [ править ]

Были предприняты многочисленные теоретические попытки систематизировать существующие четыре фундаментальных взаимодействия на модели электрослабого объединения.

Теории Великого Объединения (GUT) - это предложения, демонстрирующие, что все три фундаментальных взаимодействия, описываемые Стандартной моделью, являются различными проявлениями одного взаимодействия с симметриями, которые разрушаются и создают отдельные взаимодействия ниже некоторого чрезвычайно высокого уровня энергии. Ожидается также, что GUT предсказывают некоторые отношения между константами природы, которые Стандартная модель рассматривает как несвязанные, а также предсказывают унификацию калибровочной связи для относительной силы электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий (это было, например, подтверждено на Большом электрон-позитронном коллайдере в 1991 г. для суперсимметричных теорий). ^{[ указать ]}

Теории всего, которые объединяют GUT с теорией квантовой гравитации, сталкиваются с большим препятствием, потому что никакие теории квантовой гравитации, включая теорию струн , петлевую квантовую гравитацию и теорию твисторов , не получили широкого признания. Некоторые теории ищут гравитон для завершения списка частиц, несущих силу, в Стандартной модели, в то время как другие, например, петлевая квантовая гравитация, подчеркивают возможность того, что само время-пространство может иметь квантовый аспект.

Некоторые теории, выходящие за рамки Стандартной модели, включают гипотетическую пятую силу , и поиск такой силы - постоянное направление экспериментальных исследований в физике. В суперсимметричных теориях есть частицы, которые приобретают свою массу только за счет эффектов нарушения суперсимметрии, и эти частицы, известные как модули, могут быть посредниками новых сил. Еще одна причина искать новые силы - это открытие ускорения расширения Вселенной (также известного как темная энергия ), что вызывает необходимость объяснения ненулевой космологической постоянной и, возможно, других модификаций общей теории относительности.. Пятые силы также были предложены для объяснения таких явлений, как нарушения CP , темная материя и темный поток .

См. Также [ править ]

• Квинтэссенция , гипотетическая пятая сила.
• Герардус т Хофт
• Эдвард Виттен
• Говард Георги

Ссылки [ править ]

Библиография [ править ]

• Дэвис, Пол (1986), Силы природы , Кембриджский университет. Нажмите 2-е изд.
• Фейнман, Ричард (1967), Характер физического закона , MIT Press, ISBN 978-0-262-56003-0
• Шумм, Брюс А. (2004), Deep Down Things , Johns Hopkins University Press В то время как все взаимодействия обсуждаются, особенно тщательно обсуждают слабых.
• Вайнберг, Стивен (1993), Первые три минуты: современный взгляд на происхождение Вселенной , Основные книги, ISBN 978-0-465-02437-7
• Вайнберг, Стивен (1994), Мечты об окончательной теории , Основные книги, ISBN 978-0-679-74408-5

• Падманабхан, Т. (1998), После первых трех минут: история нашей Вселенной , Cambridge Univ. Пресса, ISBN 978-0-521-62972-0
• Перкинс, Дональд Х. (2000), Введение в физику высоких энергий (4-е изд.), Cambridge Univ. Пресса, ISBN 978-0-521-62196-0
• Рязуддин (29 декабря 2009 г.). «Нестандартные взаимодействия» (PDF) . NCP 5-й Sypnoisis по физике элементарных частиц . 1 (1): 1-25 . Проверено 19 марта 2011 года .

Внешние ссылки [ править ]

• Фундаментальное взаимодействие (физика) в Британской энциклопедии