Лекция № 7

Взаимодействия в природе.

Единая теория поля

Взаимодействие представляет собой воздействие одних объектов на другие путем обмена материей и движением.

· Бытие (существование) всякого объекта означает нахождение его в состоянии взаимодействия и движения.

· Движение и взаимодействие являются способом существования материи.

· Взаимодействие выступает как движение материи.

· Любые формы движения есть проявление фундаментальных взаимодействий материи.

· Взаимодействие любого вида предполагает передающую среду.

Гравитационное взаимодействие имеет универсальный характер и выступает в виде притяжения. Оно является самым слабым из всех видов взаимодействий (сила электростатического отталкивания электронов в 10⁴⁰ раз больше силы их гравитационного притяжения). В классической физике гравитационное взаимодействие описывается законом всемирного тяготения И.Ньютона. В общей теории относительности гравитация – проявление кривизны пространственно-временного континуума (поле тяготения создает искривление пространства тем больше, чем больше тяготеющая масса). В квантовой теории, квантами поля тяготения являются гравитоны, которые переносят энергию, обладают импульсом и другими характеристиками.

Электромагнитное взаимодействие имеет универсальный характер и может выступать в зависимости от знака заряда либо как притяжение, либо как отталкивание. Оно определяет возникновение атомов, молекул и макроскопических тел. Электромагнитное взаимодействие в 100-1000 раз слабее сильного взаимодействия. Электромагнитное взаимодействие описывается электростатикой, электродинамикой, квантовой электродинамикой.

Слабое взаимодействие действует только в микромире и описывает некоторые виды ядерных процессов. Оно короткодействующее и характеризует все виды бета-превращений. Слабое взаимодействие описывается теорией слабого взаимодействия созданной в 1967 г. С.Вайнбергом и А.Саламом.

Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре и определяет ядерные силы. Оно описывается теорией сильных взаимодействий (квантовой хромодинамикой).

Единая теория поля.

Все известные фундаментальные взаимодействия есть проявление единого фундаментального взаимодействия, объясняемого единой теорией, лежащей в основе всего. Объединение всех фундаментальных взаимодействий основано на том, что дефиниция между ними проявляется только при малых энергиях; при больших энергиях они объединяются в единое взаимодействие:

· Электромагнитное и слабое взаимодействия объединяются при энергиях порядка 10²ГэВ, что соответствует температуре 10^{15 0}К;

· Электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия объединяются при энергиях порядка 10¹⁴ГэВ, что соответстует температуре 10^{27 0}К;

· Электромагнитное, слабое, сильное и гравитационное взаимодействия, вероятно, объединяются при энергиях порядка 10¹⁹ГэВ, что соответствует температуре 10^{27 0}К (такие условия соответствуют ранней стадии возникновения Вселенной).

Единая теория поля включает в себя следующие теории:

1. Теория электрослабого взаимодействия. Теория была создана в 1967 г. С.Вайнбергом, Ш.Глэшоу и А.Салам. Согласно этой теории электромагнитное и слабое взаимодействия представляют собой одно и тоже взаимодействие (электрослабое). Теория вводит дополнительные частицы (два разнозаряженных бозона W⁺ и W^-, а также нейтральный бозон Z⁰) и новое поле особого типа (скалярное поле Хиггса). В 1983 году объединение электромагнитного и слабого взаимодействий было подтверждено экспериментально на ускорителе в ЦЕРН (Европейский центр ядерных исследований) в Женеве, а также были открыты частицы W и Z, которые ответственны за слабое взаимодействие;

2. Теория «Великого объединения» или ГУТ-теория. Согласно теории Великого объединения сильного и электрослабого взаимодействий должно происходить при очень высоких энергиях. С помощью этой теории были предсказаны распад протона (более 10³⁰ лет) и время жизни свободного нейтрона (15 мин). Если экспериментально будет обнаружен распад протона, то данная теория получит подтверждение.

3. Теория «Сверхвеликого объединения». В основе этой теории лежит идея объединения всех четырех фундаментальных взаимодействий – электромагнитного, слабого, сильного и гравитационного. Теория объединяет пространственную симметрию общей теории относительности и внутреннюю симметрию ГУТ. Данная теория вводит частицы - переносчики со спином S=2 (гравитоны) и частицы со спином S=3/2 (гравитино).

Структура Единой теории объединения

В первое мгновение Большого взрыва Вселенная была сверхгорячей и сверхплотной, существовало единое объединенное взаимодействие. По мере того как Вселенная расширялась, она остывала и становилась все менее и менее плотной, и в процессе так называемого нарушения симметрии единое объединенное взаимодействие начало распадаться. В так называемую эпоху ГУТ – перехода, когда разделились сильное и слабое взаимодействие, Великое объединение перестало быть явным, это произошло, когда возраст Вселенной составлял 10^-35 секунды, а ее температура упала до 10^{28 0}К.

Тест для самоконтроля

1. В современной науке господствует

1. теория близкодействия

2. теория дальнодействия

3. теория эфира

4. теория атомизма

2. Установите соответствие между видами полей и их переносчиками

1.гравитационное

2.электромагнитное

3. сильное

4. слабое

1. гравитоны

2. фотоны

3. лептоны

4. мезоны