3.6. Фундаментальные физические взаимодействия

Важнейшими свойствами материи являются движение и взаимодействие. В широком смысле движение понимается как любое изменение, происходящее в природе. У всех форм движения есть нечто общее. Все они сводятся к взаимодействию тел. Для любого объекта существовать – значит взаимодействовать, как-то проявлять себя по отношению к другим телам. На протяжении столетий в науке сформировались два принципиально различных способа описания механизма взаимодействия – принципы дальнодействия и близкодействия.

Исторически первым был сформулирован И. Ньютоном принцип дальнодействия, в соответствии с которым взаимодействие между телами происходит мгновенно на любом расстоянии без каких-либо материальных носителей. В XIX в. в науку был введен М. Фарадеем принцип близкодействия, уточненный впоследствии: взаимодействие переносится полем от точки к точке со скоростью, не превышающей скорость света в вакууме. С точки зрения современной физики взаимодействие всегда подчиняется принципу близкодействия. Но во многих задачах, описывающих механические процессы с медленно движущимися объектами, можно использовать приближенный принцип близкодействия.

Природа взаимодействий может быть различной. В настоящее время физики различают четыре типа фундаментальных взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое.

Гравитационное взаимодействие первым стало предметом исследования ученых. Классическая (ньютоновская) теория тяготения была создана еще в XVII в. после открытия закона всемирного тяготения. Это самое слабое из всех известных взаимодействий, оно в 10⁴⁰ раз слабее силы взаимодействия электрических зарядов. Тем не менее, эта очень слабая сила определяет строение Вселенной: образование космических систем, существование планет, звезд, галактик. Гравитационное взаимодействие является универсальным. В нем участвуют не только все тела, имеющие массу, а также и поля. Оно тем больше, чем больше массы взаимодействующих тел. Поэтому в микромире гравитационная сила слаба, зато в макромире она господствует. Гравитация – дальнодействующая сила. Ее интенсивность убывает с расстоянием, но продолжает сказываться и на очень больших расстояниях.

Электромагнитное взаимодействие также является универсальным и действует между любыми телами. Благодаря электромагнитным связям возникают атомы, молекулы и макротела. Все химические и биологические процессы – проявления электромагнитного взаимодействия. К нему сводятся все обычные силы: упругости, трения, поверхностного натяжения и др. По своей величине это взаимодействие намного превосходит гравитационное, поэтому его действие легко наблюдать даже между телами обычных размеров. Оно также является дальнодействующим, его действие ощутимо и на больших расстояниях от источника. Оно уменьшается с расстоянием, но не исчезает. Электромагнитное взаимодействие описывается в физической теории, называемой квантовой электродинамикой.

Изучение строения атомного ядра привело к открытию нового типа взаимодействия, которое назвали сильным, так как в ядерных масштабах (~10^-15 м) оно на два-три порядка превосходит электромагнитное и позволяет объяснить, почему в ядре одинаково заряженные протоны не разлетаются. Сильное взаимодействие занимает первое место по силе и является источником огромной энергии. Оно соединяет кварки и антикварки в атомном ядре. Оно является близкодействующим и имеет ограниченный радиус действия – до 10^-15 м. Сильное взаимодействие описывается в рамках квантовой хромодинамики.

Затем был открыт четвертый тип взаимодействия – слабое взаимодействие, ответственное за превращения элементарных частиц друг в друга и играющее важную роль не только в микромире, но и во многих явлениях космического масштаба. По интенсивности оно занимает третье место (между электромагнитным и гравитационным взаимодействиями) и является близкодействующим.

Механизм взаимодействия принято трактовать как обмен частицами-посредниками, несущими элементарные порции энергии – кванты. Считается, что каждое взаимодействие переносится определенным типом элементарных частиц – бозонов:

• в слабых взаимодействиях посредниками являются мезоны;

• в электромагнитных – фотоны;

• сильные взаимодействия осуществляются глюонами (англ. glue – клей), которые несут в себе столь большую энергию, что крепко удерживают кварки внутри частицы;

• гравитационное взаимодействие переносится квантами тяготения – гравитонами, которые экспериментально пока не обнаружены.

Теории, построенные для каждого из четырех типов взаимодействий, получились разными, и физикам это не нравилось. Хотелось их объединить. Хорошим примером служила единая теория электромагнитных взаимодействий, построенная Дж. Максвеллом в XIX в. На рубеже 60-70-х гг. ХХ столетия усилиями трех физиков (С. Вайнберг, Ш. Глэшоу, А. Салам) удалось объединить теории электромагнитного и слабого взаимодействий. Квант, переносящий объединенное электрослабое взаимодействие, может находиться в четырех состояниях, одно из которых фотонное, а три других обладают большой массой. Такое объединение требует энергий порядка 10¹¹ эВ, что соответствует температурам в 4 триллиона раз выше комнатной.

Сейчас физики заняты построением теории Великого объединения, которое включило бы и сильные взаимодействия. Искомый квант-посредник должен быть многомерным, а энергия, необходимая для реализации этого объединения, на современных установках недостижима. Проект суперобъединения, включающий и гравитацию, пока существует лишь как мечта.