6.4. Фундаментальные взаимодействия и мировые константы

Рассмотрим характер взаимодействия элементарных частиц. Частицы взаимодействуют между собой путем обмена квантами силовых полей, и, как установлено к настоящему времени, в природе наблюдается четыре типа сил, четыре фундаментальных взаимодействия: сильное (ядерное, связывающее протоны и нейтроны в ядрах химических элементов); электромагнитное; слабое (ответственное за сравнительно медленные бета-распады) и гравитационное (приводящее к закону всемирного тяготения Ньютона). Гравитационное и электромагнитное взаимодействия относятся к силам, возникающим в гравитационных и электро­магнитных полях. Природа гравитационного взаимодействия, количественно установленного еще Ньютоном, до сих пор пол­ностью не определена, и не ясно, как передается это действие через пространство.

Ядерные силы, относящиеся к сильным взаимодействиям, действуют на малых расстояниях, около Ю^-15 м, в ядрах и обес­печивают их устойчивость, преобладая над отталкивающим дей­ствием кулоновских сил электромагнитных полей. Поэтому ядерные силы являются в основном силами притяжения и дей­ствуют между протонами (р — р) и нейтронами (п — п). Сущест­вует также протон — нейтронное взаимодействие (р — п). По­скольку этй частицы объединены в одну группу нуклонов, то это взаимодействие называется также нуклон-нуклонным. Слабые взаимодействия проявляются в процессах ядерного распада или более широко — в процессах взаимодействия электрона и нейт­рино (оно может существовать также и между любыми парами элементарных частиц). Как мы уже знаем, гравитационное и электромагнитное взаимодействие меняются с расстоянием как 1 /г² и являются дальнодействующими. Ядерное (сильное) и сла­бое взаимодействия являются короткодействующими. По своей величине основные взаимодействия располагаются в следующем порядке: сильное (ядерное), электрическое, слабое, гравитаци­онное.

Предполагается, что квантами — переносчиками этих четырех силовых полей являются соответственно: для сильного взаимо­действия — безмассовые глюоны (8); для электромагнитного — безмассовые фотоны (кванты света со спином 1); для слабого — бозоны (три частицы в 90 раз тяжелее протона) и для гравитационного — безмассовые гравитоны (со спином 2).

Глюоны склеивают и удерживают кварки внутри протонов и ядер. Кванты всех этих полей взаимодействий имеют целочис­ленные спины и поэтому являются бозонами, в отличие от частиц — фермионов, имеющих спин 1/2.

Глюоны и кварки обладают своеобразным «зарядом», кото­рый принято называть «цветовым зарядом» или просто «цветом». В квантовой хромодинамике допустимыми считают только три цвета — красный, голубой и зеленый. Глюоны и кварки не уда­лось пока наблюдать непосредственно, и считают, что цветные кварки «не имеют права» вылетать наружу из ядер, подобно тому как фононы — кванты тепловых колебаний кристаллической ре­шетки атомов — существуют только внутри твердых тел. Это свойство связывания, или удержания, кварков и глюонов в адро- нах называется конфайнментом. Вылетать из ядер наружу и на­блюдаться имеют право лишь белые («бесцветные») комбинации кварков в виде адронов — барионов и мезонов, которые возни­кают в ядерных реакциях при столкновениях различных частиц. Любопытно, что одиночный кварк, появившийся в результате каких-то процессов, практически мгновенно (в течение Ю^-21 с) «достраивает» себя до адрона и вылететь из адрона уже не может.

Заметим, что у физиков раздел квантовой теории поля об электромагнитных взаимодействиях частиц называется квантовой электродинамикой (КЭД), о слабых взаимодействиях — квантовой ароматодйнамикой (КАД), о сильных «цветовых» взаимодействиях — квантовой хромодинамикой (КХД).