Концепция обменного взаимодействия

Для описания взаимодействия в макромире концепция непрерывного поля оказалась достаточно плодотворной, однако процессы микромира рассматриваются на основе иной концепции, на первый взгляд возвращающей нас к декартовой теории близкодействия, но на самом деле имеющей с ней очень отдаленное сходство. Предполагается, что частицы – участники взаимодействия вступают в связь путем обмена особыми частицами–переносчиками взаимодействия, причем каждый такой процесс осуществляется своими переносчиками. Частицы-переносчики являются виртуальными, так как их время жизни слишком мало, и вероятность их обнаружения в виртуальном состоянии равна нулю. Однако в определенных условиях виртуальная частица становится реальной, и может быть экспериментально зарегистрирована. Такая модель взаимодействия микрообъектов удовлетворяет практически всем экспериментальным данным и представляется плодотворной для разработки единой теории взаимодействий.

В квантовой электродинамике, основанной на концепции корпускулярно-волнового дуализма, электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами осуществляется путем обмена виртуальными фотонами - квантами электромагнитного поля.

Гравитационное взаимодействие - самое слабое по интенсивности ( в 1038 раз слабее сильного). Для его трактовки как обменного предложены переносчики взаимодействия (кванты поля) – гравитоны. Однако эта модель в настоящее время по сравнению сдругими наименее разработана и существование гравитонов не подтверждено экспериментально. В отличие от квантовых теорий электромагнитного, сильного и слабого взаимодействия квантовая теория гравитации только начинает создаваться. Очень проблематична и возможность экспериментальной регистрации гравитонов, так как пока не обнаружены даже гравитационные волны.

Теория обменного сильного взаимодействия за короткий период времени претерпела существенные изменения. В 40-х - 50-х годах нашего века для описания сильного взаимодействия нуклонов в ядре применялась мезонная теория, разработанная японским физиком Юкавой. Согласно этой теории нуклоны обмениваются виртуальными π–мезонами (пионами) 3-х видов: π +– мезонами, π 0– мезонами, π – – мезонами, в результате чего происходит взаимопревращение нуклонов.

Эти частицы в отличие от фотонов имеют массу покоя, причем она довольно значительна: ~270 me (me – масса электрона). Так же, как и в случае фотонов, наряду с виртуальными пионами существуют реальные пионы, обнаруженные в составе космических лучей.

Открытие во второй половине ХХ в. большого количества разнообразных частиц, участвующих в сильном взаимодействии (адронов), наталкивало на мысль о том, что существуют более мелкие их составные части, комбинация которых формирует это разнообразие.

В 1964 г. американские ученые Гелл-Манн (г. р. 1929) и Цвейг (г. р. 1937) выдвинули гипотезу, что все адроны можно получить как комбинации более фундаментальных объектов, названных ими кварками. В настоящее время все многообразие адронов описывается на основе шести кварков (и шести антикварков). Кварки имеют дробные электрические заряды ( где - элементарный заряд) и отличаются специфическими квантовыми характеристиками, получившими названия «аромат» и «цвет». Барионы (в частности, нуклоны) составлены тройками кварков, мезоны (в том числе и пионы) – парами. Кварки формируют внутреннюю структуру адронов, но в свободном состоянии не существуют. Они связаны друг с другом сильным взаимодействием посредством обмена глюонами(от англ. «клей»). Взаимодействие кварков чрезвычайно интенсивное, и с увеличением расстояния между ними возрастает, что не позволяет кваркам покидать адроны. Глюонная модель описывает механизм сильного взаимодействия на кварковом уровне и называется квантовой хромодинамикой.

В отличие от адронов, лептоны (электроны, мюоны, нейтрино) в сильном взаимодействии не участвуют и внутренней структуры не имеют. Слабое взаимодействие лептонов и адронов осуществляется с помощью переносчиков, называемых промежуточными бозонами. Эти массивные (тяжелее нуклонов) виртуальные частицы, распространяющиеся со скоростью, меньшей скорости света, были открыты только 20 лет назад.

Ниже приводится сравнительная таблица характеристик фундаментальных взаимодействий, в которой сопоставляется их относительная интенсивность (Li), радиус действия (R), характерное время передачи взаимодействия (Т), указываются участники и переносчики.

Таблица 4.1. Характеристики фундаментальных взаимодействий

Взаимодействие Li Участники R (м) T(c) Переносчики
сильное кварки, адроны 10-15 10-23 Глюоны
электромагнитное 10-2 все объекты с электрическим зарядом, фотон 10-20 Фотоны
слабое 10-10 все микрообъекты, кроме фотона и гравитона 10-18 10-13 Промежуточ-ные бозоны
гравитационное 10-38 все ? Гравитоны