Сильное взаимодействие

Основная функция сильного взаимодействия - соединять кварки и антикварки в адроны. Теория сильных взаимодействий находится в процессе создания. Она является типичной полевой теорией и названа квантовой хромодинамикой. Исходным положением ее служит постулат о существовании трех типов цветовых зарядов (красный, синий, зеленый), выражающих присущую веществу способность к объединению кварков в сильном взаимодействии. Каждый из кварков содержит некоторую комбинацию таких зарядов, но при этом полной их взаимокомпенсации не происходит, и кварк обладает результирующим цветом, то есть сохраняет способность к сильному взаимодействию с другими кварками. Но когда три кварка или кварк и антикварк объединяются в адрон, суммарная комбинация цветовых зарядов в нем такова, что адрон в целом обладает цветовой нейтральностью.

Цветовые заряды создают поля с присущими им квантами -бозонами. Обмен виртуальными цветовыми бозонами между кварками и (или) антикварками служит материальной основой сильного взаимодействия. Заряды создают 8 полей с соответствующими восемью бозонными частицами, названными глюонами. Им приписывают экзотические свойства: они безмассовые, чем схожи с фотоном и гравитоном, но шесть из восьми глюонов имеют цветовые заряды, как и те фермионы, для которых они служат переносчиками взаимодействия. Ни один другой бозон, фигурирующий в полевых теориях, не является носителем заряда, и ранее считалось, что иметь заряд -это привилегия фермионов. Безмассовые глюоны, в отличие от фотонов и гравитонов, имеют ограниченный радиус действия -10^-13 см, а присущий им цветовой заряд провоцирует сильнейшее возмущение вакуума, поскольку некомпенсированный цветовой заряд вызывает активное выделение в вакууме облака виртуальных глюонов и кварк-антикварковых пар, компенсирующих вносимое цветовым зарядом возмущение. Образующееся при этом пространственное распределение цветового заряда уменьшает силу взаимодействия между кварками при их сближении. На очень близких расстояниях вакуумная компенсация цветовых зарядов приводит к тому, что кварки перестают влиять друг на друга и ведут себя как свободные частицы. С увеличением расстояния между кварками сила взаимодействия нарастает. Для разделения двух частиц с цветовыми зарядами понадобилась бы бесконечно большая энергия. Но как только вводимая энергия превысит определенный уровень, вакуум выделяет уже не виртуальные, а реальные кварки-антикварки, которые соединяются с первичными частицами и образуют поток адронов, что и наблюдается в экспериментах на ускорителях. Сильное взаимодействие при любых обстоятельствах сохраняет бесцветность частиц.

До открытия кварков и цветового взаимодействия фундаментальным считали ядерное взаимодействие, объединяющее протоны и нейтроны в ядрах атомов. С открытием кваркового уровня вещества под сильным взаимодействием стали понимать цветовые взаимодействия между кварками, объединяющимися в адроны. Ядерные силы перестали считаться фундаментальными, они должны как-то выражаться через цветные силы. Но это не просто сделать, ведь барионы (протоны и нейтроны), составляющие ядра, в целом цветонейтральны. По аналогии можно вспомнить, что и атомы в целом электрически нейтральны, но на молекулярном уровне проявляются химические силы, рассматриваемые как отголоски электрических атомных сил.

Теория предполагает, что при сближении барионов на расстояние меньшее, чем 10^-13 см, они теряют свои индивидуальные особенности, глюонный обмен между кварками, удерживающий их в адронах, принимает коллективный характер, связывая кварки всех барионов в единую систему, в атомное ядро. Перемещение одного из кварков в сторону другого кварка нарушает локальную нейтральность цветового заряда, вакуум реагирует на это рождением виртуальной кварк-антикварковой пары. Кварк этой пары замещает «нарушителя» на его законном месте, а антикварк вместе с беглецом образует виртуальный пион (пи-мезон), принимаемый за обменную частицу ядерного взаимодействия. Насколько такая картина приемлема для объяснения природы ядерных сил, покажет будущее. Пока же нет сомнений, что ядерные силы - это только отголоски цветовых сил.

Рассмотренные четыре типа фундаментальных взаимодействий лежат в основе всех других известных форм движения материи, в том числе возникших на высших ступенях развития. Любые сложные формы движения при их разложении на структурные составляющие обнаруживаются как сложные модификации указанных фундаментальных взаимодействий.