RUSIJOS ŠVIETIMO IR MOKSLO MINISTERIJA
Federalinė valstybės biudžetinė švietimo įstaiga
aukštasis profesinis išsilavinimas
„Sankt Peterburgo valstybinis elektrotechnikos universitetas „LETI“, pavadintas V. I. Uljanovo (Lenino) vardu“
(SPbGETU)
Ekonomikos ir vadybos fakultetas
Fizikos katedra
disciplinoje „Šiuolaikinio gamtos mokslo sampratos“
tema "Silpna sąveika"
Patikrinta:
Altmarkas Aleksandras Moisevičius
Užbaigta:
studentas gr. 3603
Kolisetskaja Marija Vladimirovna
Sankt Peterburgas
1. Silpna sąveika yra viena iš keturių pagrindinių sąveikų
Tyrimo istorija
Vaidmuo gamtoje
Silpnoji jėga yra viena iš keturių pagrindinių jėgų
Silpnoji jėga arba silpnoji branduolinė jėga yra viena iš keturių pagrindinių jėgų
Silpna sąveika yra trumpo nuotolio – ji pasireiškia žymiai mažesniais atstumais nei atomo branduolio dydis
Vektoriniai bozonai yra silpnosios sąveikos nešėjai
Pirmą kartą silpna sąveika buvo pastebėta irstant atominiams branduoliams. Ir, kaip paaiškėjo, šie skilimai yra susiję su protono transformacija į neutroną branduolyje ir atvirkščiai:
r? n + e+ + ?e, n ? p + e- + e,
kur n yra neutronas, p yra protonas, e- yra elektronas, ??e yra elektronų antineutrinas.
Elementariosios dalelės paprastai skirstomos į tris grupes:
) fotonai; ši grupė susideda tik iš vienos dalelės – fotono – elektromagnetinės spinduliuotės kvanto;
) leptonai (iš graikų „leptos“ - šviesa), dalyvaujantys tik elektromagnetinėje ir silpnoje sąveikoje. Leptonai apima elektronų ir miuonų neutrinus, elektroną, miuoną ir sunkųjį leptoną, atrastą 1975 m. – t-leptoną arba taoną, kurio masė yra maždaug 3487 me, taip pat atitinkamas jų antidaleles. Leptonų pavadinimas atsirado dėl to, kad pirmųjų žinomų leptonų masės buvo mažesnės už visų kitų dalelių masę. Leptonai taip pat apima slaptąjį neutriną, kurio egzistavimas taip pat neseniai buvo nustatytas;
) hadronai (iš graikų „adros“ - dideli, stiprūs). Hadronai turi stiprią sąveiką kartu su elektromagnetinėmis ir silpnomis. Iš aukščiau aptartų dalelių yra protonas, neutronas, pionai ir kaonai.
Silpnosios sąveikos savybės
Silpna sąveika turi išskirtinių savybių:
Visi pagrindiniai fermionai dalyvauja silpnoje sąveikoje
Operacija P pakeičia bet kurio polinio vektoriaus ženklą
Erdvinės inversijos operacija paverčia sistemą veidrodine simetriška. Veidrodinė simetrija stebima procesuose, veikiant stipriai ir elektromagnetinei sąveikai. Veidrodinė simetrija šiuose procesuose reiškia, kad veidrodinės simetrijos būsenose perėjimai realizuojami su ta pačia tikimybe.
G.? Yang Zhenning, Li Zongdao gavo Nobelio fizikos premiją. Už nuodugnius vadinamųjų pariteto dėsnių tyrimus, dėl kurių buvo padaryti svarbūs atradimai elementariųjų dalelių srityje.
Be erdvinio pariteto, silpna sąveika taip pat neišsaugo kombinuoto erdvės ir krūvio pariteto, ty vienintelė žinoma sąveika pažeidžia CP invariancijos principą.
Krūvio simetrija reiškia, kad jei vyksta koks nors procesas, kuriame dalyvauja dalelės, tai jas pakeitus antidalelėmis (krūvio konjugacija), procesas taip pat egzistuoja ir įvyksta su ta pačia tikimybe. Krūvio simetrijos nėra procesuose, kuriuose dalyvauja neutrinai ir antineutrinai. Gamtoje egzistuoja tik kairiarankiai neutrinai ir dešiniarankiai antineutrinai. Jei kiekviena iš šių dalelių (dėl apibrėžtumo laikysime elektronų neutriną? e ir antineutriną e) bus veikiama krūvio konjugacijos, tada jos pavirs neegzistuojančiais objektais su leptonų skaičiais ir sraigtais.
Taigi, esant silpnai sąveikai, P- ir C-invariancija pažeidžiama vienu metu. Tačiau ką daryti, jei su neutrinu (antineutrinu) atliekamos dvi iš eilės operacijos? P- ir C-transformacijos (operacijų tvarka nesvarbi), tada vėl gauname neutrinus, kurie egzistuoja gamtoje. Veiksmų seka ir (arba atvirkštine tvarka) vadinama CP transformacija. e ir e CP transformacijos (kombinuotos inversijos) rezultatas yra toks:
Taigi neutrinams ir antineutrinams operacija, paverčianti dalelę antidalele, yra ne krūvio konjugacijos operacija, o CP transformacija.
Tyrimo istorija
Silpnos sąveikos tyrimas tęsėsi ilgą laiką.
1896 m. Becquerel atrado, kad urano druskos skleidžia prasiskverbiančią spinduliuotę (torio skilimą γ). Tai buvo silpnų sąveikų tyrimo pradžia.
1930 m. Pauli iškėlė hipotezę, kad skilimo metu kartu su elektronais (e) išsiskiria šviesos neutralios dalelės? neutrinas (?). Tais pačiais metais Fermi pasiūlė β skilimo kvantinio lauko teoriją. Neutrono (n) skilimas yra dviejų srovių sąveikos pasekmė: hadrono srovė neutroną paverčia protonu (p), leptono srovė sukuria elektronų + neutrino porą. 1956 m. Reines pirmą kartą pastebėjo er? ne+ eksperimentuose prie branduolinio reaktoriaus.
Lee ir Yangas paaiškino K+ mezonų irimo paradoksą (? ~ ? paslaptis)? suskaidyti į 2 ir 3 pionus. Tai siejama su erdvinio pariteto neišsaugojimu. Veidrodinė asimetrija buvo aptikta branduolių β irimo, miuonų, pionų, K-mezonų ir hiperonų skilimo metu.
1957 m. Gell-Mann, Feynman, Marshak ir Sudarshan pasiūlė universalią silpnosios sąveikos teoriją, pagrįstą hadronų kvarkų struktūra. Ši teorija, vadinama V-A teorija, paskatino silpnosios sąveikos aprašymą naudojant Feynmano diagramas. Tuo pačiu metu buvo atrasti iš esmės nauji reiškiniai: CP invariancijos ir neutralių srovių pažeidimas.
1960-aisiais Sheldon Lee Glashow
1991-2001 metais LEP2 akceleratoriuje (CERN) buvo atliktas Z0 bozonų skilimo tyrimas, kuris parodė, kad gamtoje yra tik trys leptonų kartos: ?e, ?? Ir??.
Vaidmuo gamtoje
branduolinė sąveika silpna
Dažniausias silpnos sąveikos sukeltas procesas yra radioaktyviųjų atomų branduolių b-skilimas. Radioaktyvumo reiškinys<#"justify">Naudotos literatūros sąrašas
1. Novožilovas Yu.V. Įvadas į elementariųjų dalelių teoriją. M.: Nauka, 1972 m
Okun B. Silpna elementariųjų dalelių sąveika. M.: Fizmatgiz, 1963 m
Tai trečioji pagrindinė sąveika, egzistuojanti tik mikrokosmose. Jis atsakingas už kai kurių fermiono dalelių virsmą kitomis, o silpnai sąveikaujančių peptonų ir kvarkų spalva nekinta. Tipiškas silpnosios sąveikos pavyzdys – beta skilimo procesas, kurio metu laisvasis neutronas suyra į protoną, elektroną ir elektroninį antineutriną vidutiniškai per 15 minučių. Skilimą sukelia d skonio kvarko transformacija į skonio u kvarką neutrono viduje. Išspinduliuotas elektronas užtikrina viso elektros krūvio išsaugojimą, o antineutrinas leidžia išsaugoti bendrą sistemos mechaninį impulsą.
Stipri sąveika
Pagrindinė stiprios sąveikos funkcija yra sujungti kvarkus ir antikvarkus į hadronus. Stiprios sąveikos teorija kuriama. Tai tipiška lauko teorija ir vadinama kvantine chromodinamika. Jo išeities taškas yra trijų tipų spalvinių krūvių (raudonos, mėlynos, žalios) egzistavimo postulatas, išreiškiantis prigimtinį materijos gebėjimą sujungti kvarkus stiprioje sąveikoje. Kiekviename iš kvarkų yra tam tikras tokių krūvių derinys, tačiau visiškas jų tarpusavio kompensavimas neįvyksta, o kvarkas turi gaunamą spalvą, tai yra, jis išlaiko galimybę stipriai sąveikauti su kitais kvarkais. Bet kai trys kvarkai arba kvarkas ir antikvarkas susijungia ir sudaro hadroną, grynasis spalvų krūvių derinys jame yra toks, kad hadronas kaip visuma yra neutralus spalvos. Spalvoti krūviai sukuria laukus su jiems būdingais kvantais – bozonais. Keitimasis virtualiais spalvų bozonais tarp kvarkų ir (arba) antikvarkų yra materialus stiprios sąveikos pagrindas. Prieš atrandant kvarkus ir spalvų sąveiką, branduolinė jėga, jungianti protonus ir neutronus atomų branduoliuose, buvo laikoma pagrindine. Atradus materijos kvarkų lygį, stipri sąveika buvo pradėta suprasti kaip spalvų sąveika tarp kvarkų, susijungiančių į hadronus. Branduolinės jėgos nebelaikomos esminėmis, jos turi būti kažkaip išreikštos spalvotomis jėgomis. Tačiau tai nėra lengva padaryti, nes barionai (protonai ir neutronai), sudarantys branduolį, paprastai yra neutralūs. Analogiškai galime prisiminti, kad atomai kaip visuma yra elektriškai neutralūs, tačiau molekuliniame lygmenyje atsiranda cheminės jėgos, laikomos elektrinių atominių jėgų aidais.
Apsvarstytos keturios pagrindinių sąveikų rūšys yra visų kitų žinomų materijos judėjimo formų pagrindas, įskaitant tas, kurios atsirado aukštesniuose vystymosi etapuose. Bet kokios sudėtingos judėjimo formos, suskaidytos į struktūrinius komponentus, atskleidžiamos kaip sudėtingos šių pagrindinių sąveikų modifikacijos.
2. Mokslinių požiūrių apie dalelių sąveiką formavimas prieš evoliucinį „didžiojo susivienijimo“ teorijos sukūrimą.
„Didžiojo susivienijimo“ teorija yra teorija, sujungianti elektromagnetinę, stipriąją ir silpnąją sąveiką. Minėdami „Didžiojo susivienijimo“ teoriją, kalbame apie tai, kad visos gamtoje egzistuojančios jėgos yra vienos universalios pamatinės jėgos apraiška. Yra keletas samprotavimų, kurie leidžia manyti, kad Didžiojo sprogimo, dėl kurio gimė mūsų visata, momentu egzistavo tik ši jėga. Tačiau laikui bėgant visata išsiplėtė, o tai reiškia, kad ji atvėso, o viena jėga suskilo į kelias skirtingas, kurias dabar stebime. „Didžiojo susivienijimo“ teorija apibūdintų elektromagnetines, stipriąsias, silpnąsias ir gravitacines jėgas kaip vienos universalios jėgos apraiškas. Jau padaryta tam tikra pažanga: mokslininkams pavyko sukurti teoriją, apjungiančią elektromagnetinę ir silpnąją sąveiką. Tačiau pagrindinis „Didžiojo susivienijimo“ teorijos darbas dar laukia.
Šiuolaikinė dalelių fizika yra priversta diskutuoti apie klausimus, kurie iš tikrųjų kėlė nerimą senovės mąstytojams. Kokia yra dalelių ir cheminių atomų, pagamintų iš šių dalelių, kilmė? O kaip Kosmosas, mums matoma Visata, gali būti pastatyta iš dalelių, kad ir kaip jas pavadintume? Ir dar – ar Visata buvo sukurta, ar ji egzistavo nuo amžinybės? Jei galima to paklausti, kokie yra mąstymo keliai, kurie gali vesti į įtikinamus atsakymus? Visi šie klausimai yra panašūs į tikrųjų egzistencijos principų paieškas, klausimus apie šių principų prigimtį.
Kad ir ką sakytume apie Kosmosą, aišku viena: viskas gamtos pasaulyje vienaip ar kitaip susideda iš dalelių. Bet kaip suprasti šią kompoziciją? Yra žinoma, kad dalelės sąveikauja – jos traukia arba atstumia viena kitą. Dalelių fizika tiria įvairias sąveikas. [Popper K. Apie žinių ir nežinojimo šaltinius // Vopr. gamtos mokslų ir technikos istorija, 1992, Nr. 3, p. 32.]
Ypatingą dėmesį elektromagnetinė sąveika patraukė XVIII–XIX a. Buvo atrasti elektromagnetinės ir gravitacinės sąveikos panašumai ir skirtumai. Kaip ir gravitacija, elektromagnetinės jėgos yra atvirkščiai proporcingos atstumo kvadratui. Tačiau, skirtingai nei gravitacija, elektromagnetinė „gravitacija“ ne tik pritraukia daleles (skirtingus krūvio ženklus), bet ir atstumia jas viena nuo kitos (vienodai įkrautas daleles). Ir ne visos dalelės yra elektros krūvio nešėjos. Pavyzdžiui, fotonas ir neutronas šiuo atžvilgiu yra neutralūs. XIX amžiaus 50-aisiais. D. C. Maxwello (1831–1879) elektromagnetinė teorija suvienijo elektrinius ir magnetinius reiškinius ir taip išaiškino elektromagnetinių jėgų veikimą. [Grünbaum A. Kilmė prieš kūrybą fizinėje kosmologijoje (teologiniai šiuolaikinės fizinės kosmologijos iškraipymai). – Klausimas. Filosofija, 1995, Nr. 2, p. 19.]
Radioaktyvumo reiškinių tyrimas leido atrasti ypatingą dalelių sąveikos rūšį, vadinamą silpnąja sąveika. Kadangi šis atradimas yra susijęs su beta radioaktyvumo tyrimu, šią sąveiką galėtume pavadinti beta skilimu. Tačiau fizikinėje literatūroje įprasta kalbėti apie silpnąją sąveiką – ji silpnesnė už elektromagnetinę sąveiką, nors daug stipresnė už gravitacinę sąveiką. Atradimą palengvino W. Pauli (1900–1958) tyrimai, numatę, kad beta skilimo metu išsiskiria neutrali dalelė, kompensuojanti akivaizdų energijos tvermės dėsnio pažeidimą, vadinamą neutrinu. Be to, atrasti silpnąsias sąveikas padėjo E. Fermi (1901–1954) tyrimai, kurie kartu su kitais fizikais teigė, kad elektronai ir neutrinai, prieš jiems išeinant iš radioaktyvaus branduolio, neegzistuoja branduolys, taip sakant, paruoštos formos, bet susidaro radiacijos proceso metu. [Grünbaum A. Kilmė prieš kūrybą fizinėje kosmologijoje (teologiniai šiuolaikinės fizinės kosmologijos iškraipymai). – Klausimas. Filosofija, 1995, Nr. 2, p. 21.]
Galiausiai paaiškėjo, kad ketvirtoji sąveika buvo susijusi su intrabranduoliniais procesais. Vadinamas stipriąja sąveika, ji pasireiškia kaip intrabranduolinių dalelių – protonų ir neutronų – trauka. Dėl savo didelio dydžio jis yra didžiulis energijos šaltinis.
Keturių tipų sąveikos tyrimas sekė gilaus jų ryšio paieškos keliu. Šiame neaiškiame, iš esmės tamsiame kelyje tik simetrijos principas vadovavosi tyrimuose ir leido nustatyti tariamą įvairių tipų sąveikų ryšį.
Norint nustatyti tokius ryšius, reikėjo kreiptis į ypatingo tipo simetrijos paieškas. Paprastas tokio tipo simetrijos pavyzdys yra darbo, atliekamo keliant krovinį, priklausomybė nuo keltuvo aukščio. Išeikvojama energija priklauso nuo aukščio skirtumo, bet nepriklauso nuo pakilimo kelio pobūdžio. Tik ūgio skirtumas yra reikšmingas ir visiškai nesvarbu, nuo kokio lygio pradedame matavimą. Galime sakyti, kad čia kalbama apie simetriją kilmės pasirinkimo atžvilgiu.
Panašiu būdu galite apskaičiuoti elektros krūvio judėjimo energiją elektriniame lauke. Aukščio analogas čia bus lauko įtampa arba, kitaip tariant, elektrinis potencialas. Krūvio judėjimo metu sunaudojama energija priklausys tik nuo potencialų skirtumo tarp galutinio ir pradinio lauko erdvės taškų. Čia kalbama apie vadinamąjį matuoklį arba, kitaip tariant, skalės simetriją. Matuoklio simetrija, susijusi su elektriniu lauku, yra glaudžiai susijusi su elektros krūvio tvermės dėsniu.
Matuoklio simetrija pasirodė esąs svarbiausias įrankis, sukūręs galimybę išspręsti daugybę elementariųjų dalelių teorijos sunkumų ir daugybės bandymų suvienodinti įvairių tipų sąveikas. Pavyzdžiui, kvantinėje elektrodinamikoje atsiranda įvairių nukrypimų. Šiuos skirtumus galima pašalinti dėl to, kad vadinamoji renormalizavimo procedūra, kuri pašalina teorijos sunkumus, yra glaudžiai susijusi su matuoklio simetrija. Atrodo, kad sunkumų, kylančių kuriant ne tik elektromagnetinės, bet ir kitos sąveikos teoriją, galima įveikti, jei galima rasti kitų paslėptų simetrijų.
Matuoklio simetrija gali įgauti apibendrintą pobūdį ir gali būti priskirta bet kuriam jėgos laukui. 1960-ųjų pabaigoje. S. Weinbergas (g. 1933 m.) iš Harvardo universiteto ir A. Salamas (g. 1926 m.) iš Imperatoriškojo koledžo Londone, remdamiesi S. Glashow (g. 1932 m.) darbais, ėmėsi teorinio elektromagnetinės ir silpnosios sąveikos suvienodinimo. Jie naudojo matuoklio simetrijos idėją ir su šia idėja susijusio matuoklio lauko koncepciją. [Jakuševas A. S. Pagrindinės šiuolaikinio gamtos mokslo sampratos. – M., Fakt-M, 2001, p. 29.]
Elektromagnetinei sąveikai taikoma paprasčiausia matuoklio simetrijos forma. Paaiškėjo, kad silpnosios sąveikos simetrija yra sudėtingesnė nei elektromagnetinės sąveikos. Tokį sudėtingumą lemia paties proceso sudėtingumas, taip sakant, silpnos sąveikos mechanizmas.
Pavyzdžiui, silpnos sąveikos procese įvyksta neutrono skilimas. Šiame procese gali dalyvauti tokios dalelės kaip neutronas, protonas, elektronas ir neutrinas. Be to, dėl silpnos sąveikos vyksta abipusė dalelių transformacija.
„Didžiojo susivienijimo“ teorijos konceptualios nuostatos
Šiuolaikinėje teorinėje fizikoje toną nustato dvi naujos konceptualios schemos: vadinamoji „didžioji vieninga“ teorija ir supersimetrija.
Šios mokslinės tendencijos kartu veda į labai patrauklią idėją, pagal kurią visa gamta galiausiai yra pavaldi kažkokiai supervalstybei, pasireiškiančia įvairiais „apsaugomis“. Ši jėga yra pakankamai galinga, kad sukurtų mūsų Visatą ir aprūpintų ją šviesa, energija, medžiaga ir suteiktų jai struktūrą. Tačiau supergalia yra daugiau nei tik kūrybinė jėga. Joje materija, erdvėlaikis ir sąveika susilieja į nedalomą darnią visumą, sukuriančią tokią Visatos vienybę, kokios niekas anksčiau neįsivaizdavo. Mokslo tikslas iš esmės yra tokios vienybės paieška. [Ovchinnikov N.F. Struktūra ir simetrija // Sistemos tyrimai, M., 1969, p. 137.]
Remiantis tuo, yra tam tikras pasitikėjimas visų gyvosios ir negyvosios gamtos reiškinių sujungimu pagal vieną aprašomąją schemą. Šiandien žinomos keturios pagrindinės sąveikos arba keturios jėgos gamtoje, atsakingos už visas žinomas elementariųjų dalelių sąveikas – stipriąją, silpnąją, elektromagnetinę ir gravitacinę sąveiką. Stipri sąveika sujungia kvarkus. Silpna sąveika yra atsakinga už kai kuriuos branduolinio skilimo tipus. Elektromagnetinės jėgos veikia tarp elektros krūvių, o gravitacinės jėgos – tarp masių. Šių sąveikų buvimas yra pakankama ir būtina sąlyga kuriant mus supantį pasaulį. Pavyzdžiui, be gravitacijos ne tik nebūtų galaktikų, žvaigždžių ir planetų, bet ir neatsirastų Visata – juk yra pagrįstos pačios besiplečiančios Visatos ir Didžiojo sprogimo sampratos, iš kurių kyla erdvėlaikis. dėl gravitacijos. Be elektromagnetinės sąveikos nebūtų nei atomų, nei chemijos, nei biologijos, nei saulės šilumos ar šviesos. Be stiprios branduolinės sąveikos neegzistuotų branduoliai, todėl nebūtų atomų ir molekulių, chemijos ir biologijos, o žvaigždės ir Saulė negalėtų generuoti šilumos ir šviesos naudojant branduolinę energiją.
Net silpna branduolinė sąveika vaidina tam tikrą vaidmenį formuojantis Visatai. Be jų Saulės ir žvaigždės branduolinės reakcijos būtų neįmanomos, neįvyktų supernovų sprogimai ir gyvybei būtini sunkieji elementai negalėtų išplisti visoje Visatoje. Gali būti, kad gyvybė neatsirado. Jei sutinkame su nuomone, kad visas šias keturias visiškai skirtingas sąveikas, kurių kiekviena savaip būtina sudėtingoms struktūroms atsirasti ir nulemti visos Visatos evoliuciją, sukuria viena paprasta supergalia, tada nekyla abejonių dėl vieno pagrindinio dėsnio, veikiančio tiek gyvojoje, tiek negyvojoje gamtoje. Šiuolaikiniai tyrimai rodo, kad šios keturios jėgos kažkada galėjo būti sujungtos į vieną.
Tai buvo įmanoma esant milžiniškoms energijoms, būdingoms ankstyvosios Visatos erai netrukus po Didžiojo sprogimo. Iš tiesų, elektromagnetinės ir silpnosios sąveikos suvienodinimo teorija jau buvo patvirtinta eksperimentiškai. „Didžiojo susivienijimo“ teorijos turėtų sujungti šias sąveikas su stipriosiomis, o „Viskas, kas yra“ teorijos turėtų suvienyti visas keturias pagrindines sąveikas kaip vienos sąveikos apraiškas. Visatos šiluminė istorija, pradedant 10–43 sek. po Didžiojo sprogimo iki šių dienų, rodo, kad didžioji dalis helio-4, helio-3, deuteronų (deuterio branduoliai – sunkusis vandenilio izotopas) ir ličio-7 Visatoje susiformavo maždaug po 1 minutės po Didžiojo sprogimo.
Sunkesni elementai žvaigždžių viduje atsirado po dešimčių milijonų ar milijardų metų, o gyvybės atsiradimas atitinka galutinį besivystančios Visatos etapą. Remdamiesi toli nuo pusiausvyros veikiančių skleidžiamųjų sistemų, veikiančių kodinio dažnio žemos energijos srauto, teorine analize ir kompiuterinio modeliavimo rezultatais, padarėme išvadą, kad Visatoje yra du lygiagrečiai vykstantys procesai – entropija ir informacija. Be to, entropinis medžiagos pavertimo spinduliuote procesas nėra dominuojantis. [Soldatovas V.K. „Didžiojo susivienijimo teorija“. – M., Postscript, 2000, p. 38.]
Esant tokioms sąlygoms, atsiranda naujo tipo evoliucinis materijos saviorganizacijos tipas, susiejantis nuoseklų erdvėlaikinį sistemos elgesį su dinaminiais procesais pačioje sistemoje. Tada Visatos mastu šis dėsnis bus suformuluotas taip: „Jei Didžiojo sprogimo dėka susiformavo 4 pagrindinės sąveikos, tai tolimesnė Visatos erdvės ir laiko organizavimo raida yra susijusi su jų suvienijimu. “ Taigi, mūsų nuomone, didėjančios entropijos dėsnis turi būti taikomas ne atskiroms Visatos dalims, o visam jos evoliucijos procesui. Susiformavimo momentu Visata pasirodė esanti kvantuota erdvės ir laiko hierarchijos lygmenyse, kurių kiekvienas atitinka vieną iš pagrindinių sąveikų. Atsiradęs svyravimas, suvokiamas kaip besiplečiantis Visatos paveikslas, tam tikru momentu pradeda atstatyti savo pusiausvyrą. Tolesnės evoliucijos procesas vyksta veidrodiniame vaizde.
Kitaip tariant, stebimoje Visatoje vienu metu vyksta du procesai. Vienas procesas – antientropija – yra susijęs su sutrikusios pusiausvyros atkūrimu materijai ir spinduliuotei savaime organizuojantis į makrokvantines būsenas (fiziniai pavyzdžiai apima tokias gerai žinomas medžiagos būsenas kaip supertakumas, superlaidumas ir kvantinis Holo efektas). Šis procesas, matyt, nulemia nuoseklią termobranduolinės sintezės procesų raidą žvaigždėse, planetų sistemų, mineralų, floros, vienaląsčių ir daugialąsčių organizmų formavimąsi. Tai automatiškai seka trečiojo progresyvios gyvų organizmų evoliucijos principo savaime organizuojamą orientaciją.
Kitas procesas yra grynai entropinio pobūdžio ir apibūdina savaime besiorganizuojančios materijos ciklinio evoliucinio perėjimo (skilimo – saviorganizacijos) procesus. Gali būti, kad šie principai gali tapti pagrindu kuriant matematinį aparatą, leidžiantį sujungti visas keturias sąveikas į vieną superjėgą. Kaip jau minėta, tai yra problema, su kuria šiuo metu užsiima dauguma teorinių fizikų. Tolesnis šio principo argumentavimas toli peržengia šio straipsnio ribas ir yra susijęs su Visatos evoliucinės savitvarkos teorijos konstravimu. Todėl padarykime pagrindinę išvadą ir pažiūrėkime, kiek ji pritaikoma biologinėms sistemoms, jų valdymo principams, o svarbiausia – naujoms organizmo patologinių būklių gydymo ir profilaktikos technologijoms. Visų pirma, mus domina gyvų organizmų saviorganizacijos ir evoliucijos palaikymo principai ir mechanizmai, taip pat jų pažeidimų priežastys, pasireiškiančios visų rūšių patologijomis.
Pirmasis iš jų – kodinio dažnio valdymo principas, kurio pagrindinis tikslas – palaikyti, sinchronizuoti ir valdyti energijos srautus bet kurioje atviroje savaime besiorganizuojančioje išsklaidymo sistemoje. Šio principo įgyvendinimas gyviems organizmams reikalauja, kad kiekviename struktūriniame hierarchiniame lygmenyje biologinis objektas (molekulinis, tarpląstelinis, ląstelinis, audinys, organoidas, organizmas, populiacija, biocenotinis, biotinis, kraštovaizdis, biosfera, kosminis) būtų bioritmologinis procesas. susijęs su transformuotos energijos vartojimu ir suvartojimu, o tai lemia procesų aktyvumą ir seką sistemoje. Šis mechanizmas užima pagrindinę vietą ankstyvosiose gyvybės atsiradimo stadijose DNR struktūros formavimo procesuose ir atskirų paveldimos informacijos kodų pakartotinio kopijavimo principuose, taip pat tokiuose procesuose kaip ląstelių dalijimasis ir vėlesnė diferenciacija. Kaip žinote, ląstelių dalijimosi procesas visada vyksta griežta seka: profazė, metafazė, telofazė, o vėliau anafazė. Galite pažeisti dalijimosi sąlygas, trukdyti jam, net pašalinti branduolį, bet seka visada bus išsaugota. Be jokios abejonės, mūsų organizmas aprūpintas pačiais tobuliausiais sinchronizatoriais: į menkiausius išorinės ir vidinės aplinkos pokyčius jautria nervų sistema ir lėtesne humorine sistema. Tuo pačiu metu šlepetės blakstiena, visiškai nesant nervų ir humoralinės sistemos, gyvena, maitinasi, išsiskiria, dauginasi, ir visi šie sudėtingi procesai vyksta ne chaotiškai, o griežta seka: bet kokia reakcija nulemia kitą, ir tai savo ruožtu išskiria produktus, kurie yra būtini kitai reakcijai pradėti. [Soldatovas V.K. „Didžiojo susivienijimo teorija“. – M., Postscript, 2000, p. 59.]
Reikėtų pažymėti, kad Einšteino teorija pažymėjo tokią svarbią gamtos supratimo pažangą, kad požiūrio į kitas gamtos jėgas persvarstymas netrukus tapo neišvengiamas. Šiuo metu vienintelė „kita“ jėga, kurios egzistavimas buvo tvirtai nustatytas, buvo elektromagnetinė sąveika. Tačiau išoriškai jis visai nepriminė gravitacijos. Be to, likus keliems dešimtmečiams iki Einšteino gravitacijos teorijos sukūrimo, elektromagnetizmą sėkmingai apibūdino Maksvelo teorija, ir nebuvo pagrindo abejoti šios teorijos pagrįstumu.
Visą gyvenimą Einšteinas svajojo sukurti vieningą lauko teoriją, kurioje visos gamtos jėgos susijungtų grynos geometrijos pagrindu. Sukūręs bendrąją reliatyvumo teoriją Einšteinas didžiąją savo gyvenimo dalį paskyrė tokios schemos paieškoms. Tačiau ironiška, bet arčiausiai Einšteino svajonės įgyvendinimo priėjo mažai kam žinomas lenkų fizikas Theodoras Kaluza, dar 1921 metais padėjęs pamatus naujam ir netikėtam požiūriui į fizikos suvienijimą, kuris iki šiol stebina vaizduotę savo įžūlumu. .
XX amžiaus 30-ajame dešimtmetyje atradus silpną ir stiprią sąveiką, gravitacijos ir elektromagnetizmo suvienijimo idėjos iš esmės prarado savo patrauklumą. Nuosekli vieningo lauko teorija turėjo apimti ne dvi, o keturias jėgas. Akivaizdu, kad to negalima padaryti neįsigijus gilaus silpnos ir stiprios sąveikos supratimo. Aštuntojo dešimtmečio pabaigoje dėl gaivaus vėjo, kurį atnešė Grand Unified Theories (GUT) ir supergravitacija, buvo prisiminta senoji Kaluzos-Kleino teorija. Jie „nupūtė dulkes, aprengė madingai“ ir įtraukė visas iki šiol žinomas sąveikas.
GUT teoretikams vienoje sąvokoje pavyko surinkti tris labai skirtingus sąveikos tipus; taip yra dėl to, kad visas tris sąveikas galima apibūdinti naudojant matuoklio laukus. Pagrindinė gabaritų laukų savybė yra abstrakčių simetrijų buvimas, suteikiantis šiam požiūriui elegancijos ir plačių galimybių. Jėgos lauko simetrijos buvimas gana aiškiai rodo tam tikros paslėptos geometrijos pasireiškimą. Kaluzos-Kleino teorijoje, sugrąžintoje į gyvenimą, gabaritų laukų simetrijos tampa konkrečios – tai geometrinės simetrijos, susijusios su papildomais erdvės matmenimis.
Kaip ir pirminėje versijoje, sąveikos įtraukiamos į teoriją, pridedant papildomų erdvinių matmenų prie erdvės laiko. Tačiau kadangi dabar turime pritaikyti trijų tipų sąveikas, turime įvesti keletą papildomų dimensijų. Paprasčiausiai suskaičiavus GUT atliekamų simetrijos operacijų skaičių, gaunama teorija su septyniais papildomais erdviniais matmenimis (iš viso sudaro dešimt); Jei atsižvelgsime į laiką, tai erdvėlaikis iš viso turi vienuolika dimensijų. [Soldatovas V.K. „Didžiojo susivienijimo teorija“. – M., Postscript, 2000, p. 69.]
Pagrindinės „Didžiojo susivienijimo“ teorijos nuostatos kvantinės fizikos požiūriu
Kvantinėje fizikoje kiekviena ilgio skalė yra susieta su energijos skale (arba lygiavertėmis masėmis). Kuo mažesnė tiriama ilgio skalė, tuo didesnė energija reikalinga tam. Norint ištirti protono kvarko struktūrą, reikia energijos, atitinkančios bent dešimt kartų protono masę. Energijos skalėje žymiai didesnė masė, atitinkanti Didįjį Susivienijimą. Jeigu kada nors pavyks pasiekti tokią didžiulę masę (energiją), nuo kurios šiandien esame labai toli, tuomet bus galima tyrinėti X dalelių pasaulį, kuriame ištrinami skirtumai tarp kvarkų ir leptonų.
Kokios energijos reikia norint įsiskverbti į 7 sferos „vidų“ ir ištirti papildomus erdvės matmenis? Pagal Kaluzos-Kleino teoriją reikia viršyti Didžiojo susivienijimo skalę ir pasiekti energiją, lygią 10 19 protonų masėms. Tik su tokiomis neįsivaizduojamai milžiniškomis energijomis būtų galima tiesiogiai stebėti papildomų erdvės matmenų apraiškas.
Ši didžiulė vertė – 10 19 protono masių – vadinama Planko mase, nes ją pirmasis pristatė kvantinės teorijos kūrėjas Maxas Planckas. Esant energijai, atitinkančiai Planko masę, visos keturios sąveikos gamtoje susijungtų į vieną superjėgą, o dešimt erdvinių matmenų būtų visiškai vienodi. Jeigu būtų galima sukoncentruoti pakankamai energijos, „užtikrinant Planko masės pasiekimą, tada visa erdvės dimensija atsirastų visu savo spindesiu [Jakuševas A. S. Pagrindinės šiuolaikinio gamtos mokslo sampratos – M., Fakt-M , 2001, p. 122.]
Suteikus laisvę vaizduotei, galima įsivaizduoti, kad vieną dieną žmonija įgis supergalių. Jei taip atsitiktų, mes įgytume valdžią gamtai, nes supergalia galiausiai sukelia bet kokią sąveiką ir visus fizinius objektus; šia prasme tai yra pagrindinis visų dalykų principas. Įvaldę supergalią, galėtume pakeisti erdvės ir laiko struktūrą, savaip išlenkti tuštumą ir sutvarkyti materiją. Valdydami supergalias galime savo nuožiūra kurti arba transformuoti daleles, sukurdami egzotiškas naujas materijos formas. Galėtume net manipuliuoti pačios erdvės matmeniu, sukurdami keistus dirbtinius pasaulius su neįsivaizduojamomis savybėmis. Mes tikrai taptume Visatos šeimininkais!
Bet kaip tai pasiekti? Visų pirma, būtina gauti pakankamai energijos. Kad suprastumėte, apie ką mes kalbame, atminkite, kad 3 km ilgio tiesinis greitintuvas Stanforde pagreitina elektronus iki energijos, atitinkančios 20 protonų masių. Norint pasiekti Planko energiją, greitintuvą reikėtų pailginti 10 18 kartų, kad jis būtų Paukščių Tako dydžio (apie šimtą tūkstančių šviesmečių). Toks projektas nėra tas, kurį galima įgyvendinti artimiausioje ateityje. [Wheeler J. A. Quantum and the Universe // Astrofizika, kvantai ir reliatyvumo teorija, M., 1982, p. 276.]
Didžioji vieninga teorija aiškiai išskiria tris energijos slenksčius arba skales. Visų pirma, tai yra Weinberg-Salam slenkstis, atitinkantis beveik 90 protonų masių, virš kurių elektromagnetinė ir silpnoji sąveika susilieja į vieną elektrosilpną sąveiką. Antroji skalė, atitinkanti 10 14 protonų mases, būdinga Didžiajam susivienijimui ir ja pagrįstai naujai fizikai. Galiausiai didžiausia skalė - Planko masė, atitinkanti 10 19 protonų mases, atitinka visišką visų sąveikų suvienijimą, dėl kurio pasaulis yra nuostabiai supaprastintas. Viena didžiausių neišspręstų problemų – paaiškinti šių trijų skalių egzistavimą, taip pat tokio didelio skirtumo tarp pirmosios ir antrosios iš jų priežastį. [Soldatovas V.K. „Didžiojo susivienijimo teorija“. – M., Postscript, 2000, p. 76.]
Šiuolaikinės technologijos gali pasiekti tik pirmąjį mastą. Protonų skilimas galėtų mums suteikti netiesioginę priemonę fiziniam pasauliui tirti Didžiuoju vieningu mastu, nors šiuo metu atrodo, kad nėra vilties tiesiogiai pasiekti šią ribą, jau nekalbant apie Plancko masės skalę.
Ar tai reiškia, kad mes niekada negalėsime stebėti pirminės supergalios apraiškų ir nematomų septynių erdvės matmenų? Naudodami technines priemones, pvz., superlaidųjį supergreitintuvą, sparčiai didiname energijos, pasiekiamos antžeminėmis sąlygomis, skalę. Tačiau žmonių kuriamos technologijos neišsemia visų galimybių – pati gamta taip pat egzistuoja. Visata yra milžiniška gamtos laboratorija, kurioje prieš 18 milijardų metų buvo „atliktas“ didžiausias eksperimentas elementariųjų dalelių fizikos srityje. Šį eksperimentą vadiname Didžiuoju sprogimu. Kaip bus aptarta vėliau, šio pradinio įvykio pakako, kad išlaisvintų – nors ir labai trumpą akimirką – supergalią. Tačiau to, matyt, pakako, kad vaiduokliškas supervalstybės egzistavimas paliktų pėdsaką amžiams. [Jakuševas A. S. Pagrindinės šiuolaikinio gamtos mokslo sampratos. – M., Fakt-M, 2001, p. 165.]
Laikas yra kaip upė, nešanti praeinančius įvykius, o jos srovė stipri; Kai tik kas nors iškyla prieš akis, jis jau buvo išneštas, o jūs galite pamatyti dar ką nors, kas taip pat netrukus bus išnešta.
Markas Aurelijus
Kiekvienas iš mūsų siekiame sukurti holistinį pasaulio vaizdą, įskaitant Visatos vaizdą, nuo mažiausių subatominių dalelių iki didžiausio masto. Tačiau fizikos dėsniai kartais yra tokie keisti ir priešingi intuityviams, kad ši užduotis gali tapti neįveikiama tiems, kurie netapo profesionaliais teoriniais fizikais.
Skaitytojas klausia:
Nors tai ne astronomija, gal galite ką nors patarti. Stiprią jėgą neša gliuonai ir sujungia kvarkus bei gliuonus. Elektromagnetiką neša fotonai ir suriša elektriškai įkrautas daleles. Manoma, kad gravitaciją neša gravitonai ir sujungia visas daleles su mase. Silpnąją neša W ir Z dalelės, ir... siejama su skilimu? Kodėl taip apibūdinama silpnoji jėga? Ar silpnoji jėga yra atsakinga už kokių nors dalelių pritraukimą ir (arba) atstūmimą? O kokius? O jei ne, kodėl tai yra viena iš pagrindinių sąveikų, jei ji nesusijusi su jokiomis jėgomis? ačiū.
Išmeskime pagrindus. Visatoje yra keturios pagrindinės jėgos – gravitacija, elektromagnetizmas, stipri branduolinė jėga ir silpnoji branduolinė jėga.
Ir visa tai yra sąveika, jėga. Dalelėms, kurių būseną galima išmatuoti, jėgos taikymas keičia savo momentą – įprastame gyvenime tokiais atvejais kalbame apie pagreitį. Ir trims iš šių jėgų tai tiesa.
Gravitacijos atveju bendras energijos kiekis (daugiausia masė, bet tai apima visą energiją) išlenkia erdvėlaikį, o visų kitų dalelių judėjimas pasikeičia esant bet kam, kas turi energijos. Taip tai veikia klasikinėje (nekvantinėje) gravitacijos teorijoje. Galbūt yra bendresnė teorija, kvantinė gravitacija, kur keičiasi gravitonai, o tai lemia tai, ką mes stebime kaip gravitacinę sąveiką.
Prieš tęsdami supraskite:
- Dalelės turi savybę arba kažką joms būdingo, leidžiančio joms jausti (arba nejausti) tam tikros rūšies jėgą
- Kitos dalelės, turinčios sąveiką, sąveikauja su pirmosiomis
- Dėl sąveikos dalelės keičia savo momentą arba pagreitėja
Elektromagnetizme pagrindinė savybė yra elektros krūvis. Skirtingai nuo gravitacijos, ji gali būti teigiama arba neigiama. Fotonas, dalelė, kuri neša su krūviu susijusią jėgą, priverčia panašius krūvius atstumti, o skirtingus krūvius – pritraukti.
Verta paminėti, kad judantys krūviai, arba elektros srovės, patiria dar vieną elektromagnetizmo apraišką – magnetizmą. Tas pats atsitinka ir su gravitacija, ir tai vadinama gravitomagnetizmu (arba gravitoelektromagnetizmu). Mes nesigilinsime - esmė ta, kad yra ne tik krūvis ir jėgos nešiklis, bet ir srovės.
Taip pat yra stipri branduolinė sąveika, kuri turi trijų tipų krūvius. Nors visos dalelės turi energijos ir yra veikiamos gravitacijos, ir nors kvarkai, pusė leptonų ir bozonų pora turi elektrinių krūvių, tik kvarkai ir gliuonai turi spalvotą krūvį ir gali patirti stiprią branduolinę jėgą.
Visur daug masių, todėl gravitaciją nesunku stebėti. Ir kadangi stipri jėga ir elektromagnetizmas yra gana stiprūs, juos taip pat lengva stebėti.
Bet kaip su pastaruoju? Silpna sąveika?
Dažniausiai apie tai kalbame radioaktyvaus skilimo kontekste. Sunkusis kvarkas arba leptonas skyla į lengvesnius ir stabilesnius. Taip, silpna sąveika yra su tuo susiję. Tačiau šiame pavyzdyje jis kažkaip skiriasi nuo kitų jėgų.
Pasirodo, silpna sąveika taip pat yra jėga, tik apie tai ne dažnai kalbama. Ji silpna! 10 000 000 kartų silpnesnis už elektromagnetizmą protono skersmens atstumu.
Įkrauta dalelė visada turi krūvį, nepriklausomai nuo to, ar ji juda, ar ne. Tačiau jos sukurta elektros srovė priklauso nuo jos judėjimo kitų dalelių atžvilgiu. Srovė lemia magnetizmą, kuris yra toks pat svarbus kaip ir elektrinė elektromagnetizmo dalis. Sudėtinės dalelės, tokios kaip protonas ir neutronas, turi reikšmingų magnetinių momentų, kaip ir elektronas.
Kvarkai ir leptonai būna šešių skonių. Kvarkai – viršus, apačia, keistas, žavus, žavus, tikras (pagal jų raidžių žymėjimus lotyniškais u, d, s, c, t, b – aukštyn, žemyn, keistas, žavesys, viršuje, apačioje). Leptonai – elektronas, elektronas-neutrinas, miuonas, miuonas-neutrinas, tau, tau-neutrinas. Kiekvienas iš jų turi elektros krūvį, bet ir kvapą. Jei sujungsime elektromagnetizmą ir silpnąją jėgą, kad gautume elektrosilpną jėgą, tada kiekviena dalelė turės silpną krūvį arba elektrosilpną srovę ir silpnos jėgos konstantą. Visa tai aprašyta Standartiniame modelyje, tačiau jį išbandyti buvo gana sunku, nes elektromagnetizmas toks stiprus.
Naujame eksperimente, kurio rezultatai buvo neseniai paskelbti, silpnos sąveikos indėlis buvo išmatuotas pirmą kartą. Eksperimentas leido nustatyti silpną aukštyn ir žemyn tekančių kvarkų sąveiką
Ir silpni protono ir neutrono krūviai. Standartinio modelio prognozės dėl silpnų krūvių buvo tokios:
Q W (p) = 0,0710 ± 0,0007,
Q W (n) = -0,9890 ± 0,0007.
Remiantis sklaidos rezultatais, eksperimentas davė šias vertes:
Q W (p) = 0,063 ± 0,012,
Q W (n) = -0,975 ± 0,010.
Tai labai gerai sutampa su teorija, atsižvelgiant į klaidą. Eksperimentuotojai teigia, kad apdorojant daugiau duomenų, jie dar labiau sumažins klaidą. Ir jei yra kokių nors netikėtumų ar nukrypimų nuo standartinio modelio, tai bus puiku! Bet niekas to nerodo:
Todėl dalelės turi silpną krūvį, tačiau apie tai nekalbame, nes jį išmatuoti nerealiai sunku. Bet vis tiek tai padarėme ir atrodo, kad iš naujo patvirtinome standartinį modelį.
1896 m. prancūzų mokslininkas Henri Becquerel atrado urano radioaktyvumą. Tai buvo pirmasis eksperimentinis signalas apie anksčiau nežinomas gamtos jėgas – silpną sąveiką. Dabar žinome, kad už daugelio pažįstamų reiškinių slypi silpnoji jėga – pavyzdžiui, ji dalyvauja kai kuriose termobranduolinėse reakcijose, kurios palaiko Saulės ir kitų žvaigždžių spinduliavimą.
Pavadinimas „silpnas“ atsirado dėl nesusipratimo - pavyzdžiui, protonui jis yra 1033 kartus stipresnis už gravitacinę sąveiką (žr. Gravitacija, Ši gamtos vienybė). Tai veikiau destruktyvi sąveika, vienintelė gamtos jėga, kuri substancijos nelaiko, o tik naikina. Galima tai pavadinti ir „neprincipingu“, nes sunaikinimo metu neatsižvelgiama į erdvinio pariteto ir laiko grįžtamumo principus, kurių laikosi kitos jėgos.
Pagrindinės silpnosios sąveikos savybės tapo žinomos dar praėjusio amžiaus ketvirtajame dešimtmetyje, daugiausia italų fiziko E. Fermio darbo dėka. Paaiškėjo, kad, skirtingai nei gravitacinės ir elektrinės jėgos, silpnos jėgos turi labai trumpą veikimo diapazoną. Tais metais atrodė, kad veiksmo spindulio apskritai nėra – sąveika vyko viename erdvės taške, o, be to, akimirksniu. Ši sąveika praktiškai (trumpam) kiekvieną branduolio protoną paverčia neutronu, pozitroną – pozitronu ir neutrinu, o kiekvieną neutroną – protonu, elektronu ir antineutrinu. Stabiliuose branduoliuose (žr. „Atominis branduolys“) šios transformacijos išlieka virtualios, kaip ir virtualus elektronų-pozitronų porų arba protonų-antiprotonų porų kūrimas vakuume.
Jei branduolių, kurie skiriasi vienu krūviu, masių skirtumas yra pakankamai didelis, šios virtualios transformacijos tampa realios, o branduolys pakeičia savo krūvį 1, išskirdamas elektroną ir antineutriną (elektronų skilimas) arba pozitroną ir neutriną ( pozitronų skilimas). Neutronų masė maždaug 1 MeV viršija protono ir elektrono masių sumą. Todėl laisvasis neutronas skyla į protoną, elektroną ir antineutriną, išskirdamas maždaug 1 MeV energiją. Laisvo neutrono gyvavimo trukmė yra maždaug 10 minučių, nors surištoje būsenoje, pavyzdžiui, deuterone, kurį sudaro neutronas ir protonas, šios dalelės gyvena neribotą laiką.
Panašus įvykis vyksta ir su miuonu (žr. Peptonus) – jis skyla į elektroną, neutriną ir antineutriną. Prieš irdamas miuonas gyvena apie c – daug mažiau nei neutronas. Fermio teorija tai paaiškino dalyvaujančių dalelių masių skirtumu. Kuo daugiau energijos išsiskiria skilimo metu, tuo greičiau ji eina. Energijos išsiskyrimas skilimo metu yra apie 100 MeV, maždaug 100 kartų didesnis nei neutrono skilimo metu. Dalelės gyvenimo trukmė yra atvirkščiai proporcinga penktajai šios energijos galiai.
Kaip paaiškėjo pastaraisiais dešimtmečiais, silpnoji sąveika yra nelokali, tai yra, ji neatsiranda akimirksniu ir ne vienu metu. Remiantis šiuolaikine teorija, silpnoji sąveika neperduodama akimirksniu, o gimsta virtuali elektronų-antineutrino pora s po to, kai miuonas virsta neutrinu, ir tai įvyksta cm atstumu nei vienas valdovas, nei vienas mikroskopas , žinoma, išmatuokite tokį mažą atstumą, kaip joks chronometras negali išmatuoti tokio mažo laiko intervalo. Kaip beveik visada būna, šiuolaikinėje fizikoje turime tenkintis netiesioginiais duomenimis. Fizikai kuria įvairias hipotezes apie proceso mechanizmą ir tikrina įvairiausias šių hipotezių pasekmes. Tos hipotezės, kurios prieštarauja bent vienam patikimam eksperimentui, atmetamos, o likusiems patikrinti atliekami nauji eksperimentai. Šis procesas silpnosios sąveikos atveju tęsėsi apie 40 metų, kol fizikai įsitikino, kad silpnąją sąveiką neša supermasyvios dalelės – 100 kartų sunkesnės už protoną. Šios dalelės turi sukinį 1 ir yra vadinamos vektoriniais bozonais (aptiktos 1983 m. CERN, Šveicarija – Prancūzija).
Yra du įkrauti vektoriniai bozonai ir vienas neutralus (piktograma viršuje, kaip įprasta, rodo krūvį protonų vienetais). Įkrautas vektorinis bozonas „veikia“ neutronų ir miuono skilimo metu. Miuono skilimo eiga parodyta Fig. (viršuje, dešinėje). Tokie brėžiniai vadinami Feynman diagramomis, jie ne tik iliustruoja procesą, bet ir padeda jį apskaičiuoti. Tai savotiškas reakcijos tikimybės formulės trumpinys; čia jis naudojamas tik iliustravimo tikslais.
Miuonas virsta neutrinu, išskirdamas -bozoną, kuris skyla į elektroną ir antineutriną. Išsiskyrusios energijos neužtenka tikram -bozono gimimui, todėl jis gimsta virtualiai, t.y. labai trumpam. Šiuo atveju tai yra s. Per šį laiką laukas, atitinkantis -bozoną, nespėja suformuoti bangos ar kitaip tikros dalelės (žr. Laukai ir dalelės). Susidaro cm dydžio lauko krešulys, o po c iš jo gimsta elektronas ir antineutrinas.
Neutrono skilimui būtų galima nubraižyti tą pačią diagramą, bet čia tai jau mus suklaidintų. Faktas yra tas, kad neutrono dydis yra cm, o tai yra 1000 kartų didesnis už silpnų jėgų veikimo spindulį. Todėl šios jėgos veikia neutrono viduje, kur yra kvarkai. Vienas iš trijų neutronų kvarkų išskiria -bozoną, virsdamas kitu kvarku. Kvarkų krūviai neutrone yra: -1/3, - 1/3, taigi vienas iš dviejų kvarkų, kurių neigiamas krūvis yra -1/3, virsta teigiamo krūvio kvarku. Rezultatas bus kvarkai su krūviais - 1/3, 2/3, 2/3, kurie kartu sudaro protoną. Reakcijos produktai – elektronas ir antineutrinas – laisvai išskrenda iš protono. Bet tai kvarkas, išmetęs -bozoną. gavo smūgį ir pradėjo judėti priešinga kryptimi. Kodėl jis neišskrenda?
Jį kartu palaiko stipri sąveika. Ši sąveika neša kvarką kartu su dviem neatsiejamais kompanionais, todėl protonas juda. Pagal panašią schemą atsiranda silpnas likusių hadronų skilimas (susijęs su silpna sąveika). Visi jie susiveda į vieno iš kvarkų vektoriaus bozono išskyrimą, šio vektoriaus bozono perėjimą į leptonus (ir daleles) ir tolesnį reakcijos produktų išplėtimą.
Tačiau kartais pasitaiko ir hadroninių skilimų: vektorinis bozonas gali suirti į kvarko ir antikvarko porą, kuri virs mezonais.
Taigi, daugybė skirtingų reakcijų atsiranda dėl kvarkų ir leptonų sąveikos su vektoriniais bozonais. Ši sąveika yra universali, tai yra, ji yra tokia pati kvarkams ir leptonams. Silpnosios sąveikos universalumas, priešingai nei gravitacinės ar elektromagnetinės sąveikos universalumas, dar negavo išsamaus paaiškinimo. Šiuolaikinėse teorijose silpnoji sąveika derinama su elektromagnetine sąveika (žr. Gamtos jėgų vienybė).
Apie simetrijos pažeidimą dėl silpnos sąveikos žr. Parity, Neutrinos. Straipsnyje Gamtos jėgų vienybė kalbama apie silpnųjų jėgų vietą mikropasaulio paveiksle
Silpna sąveika ir elementaielektrosilpno teorija
Pamoka-paskaita, aiškinanti naują medžiagą, 2 val., 11 kl
Jūs jau žinote, kad visos gamtos jėgos priklauso nuo gravitacinės, elektromagnetinės ir stiprios sąveikos aprašymoar jų derinius. Gravitacinė sąveika būdinga visiems materialiems objektams. Iki elektromagnetinės redukuojama ne tik įkrautų kūnų ir dalelių sąveika, bet ir elastinė, klampi, molekulinė, cheminė ir kitokia sąveika. Stipri sąveika sulaiko nukleonus atomų branduoliuose ir lemia įvairius dalelių virsmus viena į kitą.Šiandien mes apsvarstysime kitą, 4-ą, pagrindinių sąveikų tipą, kurio negalima redukuoti į bet kurį iš aukščiau išvardytų dalykų - silpna sąveika. Sužinome nuostabų faktą, kad nedideliais atstumais silpnoji sąveika tampa neatskiriama nuo elektromagnetinės.
Silpna sąveika. Neatsitiktinai ši sąveika vadinama silpna. Pirma, jos apraiškos retai sutinkamos mūsų kasdieniame gyvenime, o jau seniai esame įpratę prie įvairių gravitacinių ir elektromagnetinių sąveikų apraiškų (pavyzdžiui, visų kūnų kritimo į Žemę, trinties, žaibo ir kt.), prie rezultatų. branduolinių jėgų, užtikrinančių mus supančios medžiagos stabilumą, veikimo. Antra, ši sąveika iš tiesų yra silpna, nes jo intensyvumas esant žemoms energijoms, neviršijančioms 1 GeV – protono ramybės energija – yra milijardus kartų mažesnis už stiprios ir elektromagnetinės sąveikos intensyvumą.
Be to, patirtis rodo, kad stiprios ir elektromagnetinės sąveikos gali užtikrinti tiek įvairias dalelių transformacijas, tiek kokio nors materialaus objekto vientisumą (pavyzdžiui, stipri sąveika užtikrina branduolio vientisumą, elektromagnetinė sąveika – kristalinės gardelės vientisumą). Silpnos sąveikos jėgos nepakanka, kad dalelės būtų šalia viena kitos (t. y. susidarytų susietos būsenos). Jis gali pasireikšti tik dalelių skaidymosi ir tarpusavio transformacijų metu.
Nepaisant visų silpnos sąveikos „silpnybių“, tai labai svarbu. Būtent ši sąveika mikro lygiu yra atsakinga už energijos išsiskyrimą žvaigždėse, įskaitant Saulę. Galime pasakyti, kad tiesiogine prasme negalime gyventi be šios sąveikos! Be to, radioaktyviųjų branduolių skilimas, kaip žinote, taip pat vyksta dėl silpnos sąveikos.
Taigi, kokios yra pagrindinės silpnosios sąveikos savybės?
– Silpna sąveika esant žemai energijai daug silpnesnė už stipriąją ir elektromagnetinę sąveiką;
– silpna sąveika yra trumpalaikė: jos veikimo spindulys apie 10–18 m;
– silpna sąveika yra universali: joje dalyvauja beveik visos dalelės, išskyrus fotonus. Be to, yra dalelių, kurios dalyvauja tik esant silpnai sąveikai, pavyzdžiui, neutrinai ir antineutrinai;
– esant silpnai sąveikai, kai kurie, atrodytų, universalūs išsaugojimo dėsniai netenkinami (šis klausimas aptariamas savarankiško darbo medžiagoje, žr. toliau).
Kaip žinia, kiekviena iš sąveikų vykdoma per specialias elementarias daleles – vienos ar kitos sąveikos nešiklius. Pavyzdžiui, fotonai yra elektromagnetinės sąveikos nešėjai, gliuonai – stiprios sąveikos nešėjai. Šiuo metu mokslininkai bando atrasti gravitacinės sąveikos nešėjus – gravitonus.
Silpnosios sąveikos nešėjai yra tarpiniai vektoriniai bozonai. Yra žinomi 3 jų tipai: W – , W + , Z 0 . Šios dalelės turi labai didelę masę: mW 85m p, m Z 96m p, Kur m p– protonų masė.
Išsamiau apibūdinkime tarpinių bozonų vaidmenį silpnosios sąveikos procesuose. Pavyzdžiui, kvarko irimo metu d skleidžia neutroną W- bozonas ir virsta kvarku u, todėl neutronas virsta protonu: du + W– , – ir tada W– - bozonas skyla į elektroną ir antineutriną: [Tačiau reikia pabrėžti, kad dėl labai didelės masės W-bosonas efektyviai -skilimas vyksta taip, kad visa vidinė silpnų sąveikų „struktūra“ neatsiranda ir atsispindi tik nedidelėje sąveikos konstantoje. Bet jei tirsime silpnos sąveikos procesus esant energijai, panašiai į masę W(t.y. apie 100 GeV), tada čia įnašas W- Bozonas yra aiškiai matomas. – Red.]
2. Vieninga elektrosilpnoji sąveika. Tolesni teoriniai tyrimai lėmė tai, kad fundamentalių sąveikų vaizdas pradėjo supaprastėti. Paaiškėjo, kad elektromagnetinė ir silpnoji sąveika yra tos pačios sąveikos apraiškos, kuri vadinama elektrosilpna sąveika. Ši mintis pirmą kartą (savarankiškai) išsakyta 1967 m. S. Veinbergas Ir A.Salam, iškeldamas tokią hipotezę: silpnosios ir elektromagnetinės sąveikos pobūdis yra vienodas, nes nedideliais atstumais silpnos sąveikos stiprumas prilygsta elektromagnetinėms, o skirtumas tarp tarpinių vektorių bozonų ir fotonų išnyksta. Kitaip tariant, esant energijai, viršijančiai kelis šimtus gigaelektronvoltų, elektromagnetinės ir silpnos sąveikos intensyvumas tampa neatskiriamas, jos tarsi susilieja į vieną elektrosilpna sąveika.
Atkreipkite dėmesį, kad Weinbergas ir Salamas rėmėsi ankstesne prielaida, kad silpnosios sąveikos nešėjai yra tarpiniai vektorių bozonai. Šios dalelės buvo aptiktos eksperimentiškai daug vėliau (1983 m.).
3. Weinberg-Salam hipotezės pagrindimas. Weinbergas ir Salamas padarė išvadą apie vienos elektrosilpnos jėgos egzistavimą, pagrįstą naujomis pagrindinėmis fizinėmis idėjomis:
1) vietinio matuoklio invariantiškumas;
2) spontaniškas simetrijos lūžis.
Iš hipotezės išplaukia, kad nedideliais atstumais tarpiniai vektoriniai bozonai savo savybėmis nesiskiria nuo fotonų, o tai reiškia, kad tarpiniai vektoriniai bozonai ir fotonai iš tikrųjų yra dvi tos pačios dalelės apraiškos – elektrosilposios sąveikos nešėjas (kitaip sąveikos jėga negali būti vienoda). Tai įmanoma tik baigus vietinio gabarito invariancijos (simetrijos) principas,(žr. diagramą).
Paaiškėjo, kad pasikeitus masteliui, t.y. mažėjant atstumui, elektrosilpnos sąveikos nešėjai iš vienos iš savo apraiškų – fotonų – pereina į kitą savo pasireiškimą – tarpinius vektorinius bozonus – tačiau jų mainai vyksta taip pat lengvai.
Tačiau čia iškilo naujas klausimas: kaip tarpiniai vektoriniai bozonai ir fotonai gali būti tų pačių dalelių apraiškos, jei fotonai turi nulinę masę, o tarpiniai vektoriniai bozonai turi labai dideles mases? Kadangi tai yra tos pačios dalelės, jų masė turi sutapti. Atrodė, kad susiklostė beviltiška situacija.
Paaiškėjo, kad tarpiniai vektoriniai bozonai gali įgyti savo masę dėl tam tikro mechanizmo, vadinamo spontaniškas simetrijos lūžis. Šis mechanizmas yra labai sudėtingas, tačiau pabandykime pažvelgti į jo esmę naudodamiesi keliais paprastais pavyzdžiais.
Atskirų atomų judėjimo dėsniai tenkina erdvinės simetrijos principą, t.y. nesikeičia, kai atomas juda skirtingomis kryptimis. Tačiau susidarius kristalui ši simetrija sulaužoma savaime, ir kristalo savybės skirtingomis kryptimis nebebus vienodos. Taigi, kristalas turi daug specifinių savybių, palyginti su laisvais atomais, pavyzdžiui, gebėjimą būti įmagnetintas.
Kamuolys, esantis pakelto butelio dugno centre, bus pusiausvyroje. Sistema turi ašinę simetriją. Tačiau ši pusiausvyros padėtis yra nestabili. Paliktas savavališkai, rutulys, veikiamas savavališkai nedidelio trikdymo, nukris žemyn į įgaubtą dugną. Tokia kamuoliuko padėtis yra stabili, nes ji atitinka minimalią potencialią energiją Žemės gravitaciniame lauke.
Pradinė ašinė būsenos simetrija bus spontaniškai pažeista.
Panašiai, kalbant pačiais bendriausiais terminais, spontaniško lokalinio gabarito simetrijos pažeidimo mechanizmas, užtikrinantis tarpinių vektorių bozonų „bemasiškumą“ ir jų tapatumą su fotonais, lemia masės atsiradimą tarpiniuose vektorių bozonuose ir dėl to skirtumus tarpinių vektorių bozonuose. išorinis silpnosios ir elektromagnetinės sąveikos pasireiškimas. Pirmiau nurodytos nuostatos sudaro vieninga elektrosilpnosios sąveikos teorija W – , W + , Z. Būtent iš to atsirado trijų tipų tarpinių vektorių bozonai
0, taip pat buvo prognozuojamos jų masių reikšmės.
1983 m. eksperimentinis tarpinių vektorių bozonų atradimas patvirtino vieningos elektrosilpnos sąveikos teorijos pagrįstumą. Taip pat kviečiame susipažinti su šiais eksperimentais (klausimas pateiktas savarankiško mokymosi medžiagoje).
Taigi vietoj keturių pagrindinių sąveikų galime kalbėti tik apie tris: gravitacinę, stiprią ir elektrosilpną.
1. Savarankiško darbo medžiaga Apsaugos įstatymų nesilaikymas esant silpnai sąveikai.
Nustatyta, kad esant silpnai sąveikai, nevykdomi kai kurie iš pažiūros universalūs išsaugojimo dėsniai, kurie įvykdomi su kitomis trimis pagrindinėmis sąveikomis (žr. diagramą).
Panagrinėkime dėsnius, kurie negalioja silpnoje sąveikoje. Erdvinio pariteto išsaugojimo dėsnis ( P-paritetas). Jie taip sako erdvinio lygumo išsaugojimo dėsnis
1957 m. Ts Wu nustatė, kad pariteto išsaugojimo įstatymas negalioja esant silpnai sąveikai. Tam tikra medžiaga, turinti kobalto β-aktyvų izotopą, buvo patalpinta į ritę su srove, sukuriant magnetinį lauką (laukas reikalingas sukinių orientacijai ir branduolių vidiniams magnetiniams momentams nustatyti). Paaiškėjo, kad vienoje pusėje (pavyzdžiui, aukštyn) buvo išspinduliuota apie 40% daugiau elektronų nei kitoje.
Patirtis apie tikrą instaliaciją (aukščiau) ir jos atspindį veidrodyje (žemiau)
Kai visas vaizdas bus atspindėtas, pavyzdžiui, palyginti su žemiau esančiu veidrodžiu, pamatysime visiškai kitokį reiškinį (dauguma elektronų skrenda žemyn, nors laukas IN žiedinė srovė vis tiek nukreipta į viršų). Kad skilimo reiškinys veidrodyje vyktų lygiai taip pat, turi pasikeisti „vyraujančios“ elektronų emisijos kryptis (aukštyn). Pažeidžiamas erdvinio pariteto išsaugojimo įstatymas, kurio nebūtų, jei elektronai būtų išspinduliuojami vienoda tikimybe tiek aukštyn, tiek žemyn.
Taip galima iliustruoti erdvinio pariteto neišsaugojimo reiškinį esant silpnoms sąveikoms. Silpnos sąveikos metu gimusios dalelės (elektronai, miuonai, taonai) yra išilgai poliarizuotos. Tai reiškia, kad jie turi savo kampinį momentą – sukimąsi j , kuri tam tikros dalelės atveju visada yra arba vienakryptė su dalelės impulsu p , arba nukreiptas priešinga kryptimi. Kai šios dalelės atsispindi veidrodyje, šie vektoriai keičia kryptį skirtingais būdais. Sukimas nekeičia krypties, bet pagreitis. Tačiau dalelės su gautu išdėstymu p Ir j tiesiog neegzistuoja, todėl veidrodyje procesas vyksta kitaip.
Dalelė su išilgine poliarizacija: A) rudenį; b) atspindys
2. Tarpinių vektorių bozonų atradimas. 1983 m. eksperimentiškai buvo patvirtintas tarpinių vektorių bozonų egzistavimas. Žinoma, kad pagrindinis elementariųjų dalelių fizikos tyrimo metodas yra sklaidos metodas, t.y. skirtingų dalelių susidūrimas tarpusavyje, dėl kurio gimsta naujos dalelės. Pastaruoju metu plačiai naudojami greitintuvai – greitintuvai, kuriuose susiduria du dalelių pluoštai, kurių bendras impulsas nulinis (dalelės iš skirtingų pluoštų turi vienodo dydžio, bet priešingos krypties impulsus). Jie taip sako procesas nagrinėjamas susidūrusių dalelių inercijos centro sistemoje. Kolideryje gimstančias naujas daleles aptinka įvairūs detektoriai.
Taigi, susidurkime protonų ir antiprotonų pluoštus, kurių kiekvieno dalelės energija yra lygi E. Tada bendra dviejų dalelių susidūrimo energija yra 2 E. Atsižvelgiant į 2 E > ponia 2 šiame susidūrime dalelė su mase M. Pažvelkime į procesą: 
, Kur X yra visų galimų būsenų rinkinys, pvz.
Tarpinių vektorių bozonų gimimą iliustruojame diagrama.
Kvarkas u iš protono ir antikvarkas iš antiprotono gali susilieti į W+ (tai parodyta diagramoje). Panašiai poros gali duoti susijungdamos Z 9 - bozonas, pora - W– – bozonas. Tačiau gimusios šios dalelės greitai suyra. Pavyzdžiui ir pan.
Pozitroną arba teigiamai įkrautą miuoną galima aptikti labai efektyviai detektoriais, ir tai bus tarpinio vektoriaus bozono gimimo ženklas. Tuo pačiu metu neutrinai išskrenda, išnešdami didelę dalį energijos.
Eksperimentinis vektorinių tarpinių bozonų atradimas patvirtino vieningos elektrosilpnos sąveikos teorijos pagrįstumą.
Klausimai savikontrolei
1. Išvardykite ir paaiškinkite gamtosaugos dėsnius, taikomus silpnai sąveikai.
2. Kokia yra erdvinio lygybės išsaugojimo dėsnio esmė?
3. Paaiškinkite, kaip buvo įrodytas erdvinio pariteto išsaugojimo dėsnio nesilaikymas esant silpnai sąveikai. Kada ir kas atliko šį eksperimentą?
4. Kaip dar galite iliustruoti erdvinio pariteto neišsaugojimo reiškinį esant silpnai sąveikai?
5. Kuo erdvinės lygybės išsaugojimo dėsnis skiriasi nuo kombinuotosios lygybės išsaugojimo dėsnio? Kodėl negalime kalbėti apie tai, kad ji gali būti silpna sąveika?
6. Kodėl buvo įvestos keistenybės ir žavesys? Kokias vertybes jie gali priimti? Ką galima pasakyti apie šių kiekių išsaugojimą esant silpnai sąveikai?
7. Kuo izotopinis sukinys skiriasi nuo izotopinio multipleto? Pateikite izotopinio multipleto pavyzdį. Ar esant silpnai sąveikai visada pažeidžiamas izospino išsaugojimo įstatymas?
8. Kaip manote, kodėl prieš koliderių konstravimą nebuvo įmanoma eksperimentiškai įrodyti tarpinių vektorių bozonų egzistavimo?
9. Paaiškinkite tarpinių vektorinių bozonų susidarymo greitintuve procesą.
10. Kaip aptinkami greitintuve susidarę tarpiniai vektoriniai bozonai?
Literatūra
Myakishev G.Ya. Elementariosios dalelės. – M.: Nauka, 1979 m.
Kurso „Atomo branduolio ir elementariųjų dalelių fizika“ gairės: Comp. Vasilevskis A.S. 1, 2 dalys. – Kirovas: GPI, 1990 m.
Mukhin K.N. Linksma branduolinė fizika. – M.: Energoatomizdat, 1985m.
Naumovas A.I. Atomo branduolio ir elementariųjų dalelių fizika. – M.: Išsilavinimas, 1984 m.
Ešeriai L.B. Elementariųjų dalelių fizika. – M.: Nauka, 1988 m.
Orir J. Populiarioji fizika. – M.: Mir, 1964 m.
Elementariųjų dalelių fizika. Astrofizika: enciklopedija „Šiuolaikinis gamtos mokslas“. T. 4. – M.: Leidykla „Magistr-Press“, 2000 m.
1996 m. baigė Kirovo valstybinį pedagoginį universitetą, aukščiausios kvalifikacinės kategorijos fizikos mokytojas, pedagoginio darbo stažas 9 metai, metodininkas, mokslų daktaras. Vedęs, turi du vaikus.
Vyat GSU Fizikos fakulteto 5 kurso studentas.