Таблица 6.2

144

поколения играли важную роль в первые мгновения после Большого Взрыва ранней Вселенной, когда не было различия между лептонами и кварками.

Академик РАЕН Б. А. Трубников отмечал, что прошедший ХХ век справедливо называть квантово-релятивистским веком. В 1897 г. Томсон (1824—1907) открыл электрон, в 1911 г. Резерфорд открыл атомное ядро, затем в 1931 — 1932 гг. Чадвиком были обнаружены нейтроны, а Андерсеном — позитроны. После обнаружения сотен других короткоживущих частиц и «наведения порядка» для них была разработана квантовая теория поля, в рамках которой теоретически и были предсказаны совершенно новые объекты природы — кварки и глюоны. В настоящее время установлено, что истинно элементарными частицами следует считать шесть сортов кварков со своим «ароматами»: и, d, s, с, t, b и шесть сортов лептонов. Это — электрон ё-, мюон μ, таулептон (таон) τ и соответствующие этим частицам нейтрино (ve, νμ, ντ). Предполагается, что согласно принципу кварк-лептонной симметрии каждому лептону должен соответствовать определенный кварк (табл. 6.3).

Таблица 6.3

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)

145

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 10-15 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

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.

нейтронами (п — п). Существует также протон — нейтронное взаимодействие (p — п). Поскольку эти 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/r2 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 уда-

146

лось 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 адронах 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 10-21 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),

ослабых взаимодействиях — квантовой ароматодинамикой (КАД),

осильных «цветовых» взаимодействиях — квантовой хромодинамикой (КХД).

6.4.1. Мировые константы

Четырем фундаментальным взаимодействиям соответствуют четыре мировые константы. Подавляющее число физических констант имеет размерности, зависящие от системы единиц отсчета, например, в СИ (Международной системе единиц — системе интернациональной) заряд е- = 6 · 10-19 Кл, его масса т = 9,1 · 10-31 кг. В различных системах отсчета основные единицы имеют различные числовые значения и размерности. Такое положение не устраивает науку, так как удобнее иметь безразмерные константы, не связанные с условным выбором исходных единиц и систем отсчета. Кроме того, фундаментальные константы не выводят из физических теорий, а определяют экспериментально. В этом смысле теоретическую физику нельзя считать самодостаточной и законченной для объяснения свойств природы, пока проблема, связанная с мировыми константами, не будет понята и объяснена [133].

Анализ размерностей физических констант приводит к пониманию того, что они играют очень важную роль в построении отдельных физических теорий. Однако если попытаться создать единое теоретическое описание всех физических процессов, т.е., другими словами, сформулировать унифицированную научную картину мира от микродо макроуровня, то главную, определяющую роль должны играть безразмерные, т.е. «истинно» мировые, константы. Таковы константы основных взаимодействий.

147

Константа гравитационного взаимодействия:

Константа электромагнитного взаимодействия:

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.

Константа сильного взаимодействия:

где gS — цветовой заряд, причем gS >> e; g2 ~ ћ = h/2π. (Индекс «s»

от английского слова «strong» — сильный.) Константа слабого взаимодействия:

где g ~ 1.4 · 10-62 Дж · м3 — константа Ферми. (Индекс «w» от английского слова «weak» — слабый.) Заметим, что размерную константу гравитационного взаимодействия получил еще сам И. Ньютон: G ~ 6,67 · 10-11 м3 · с2 · кг-1; сила гравитационного взаимодействия

Известно, что этот закон всемирного тяготения недоказуем, так как получен путем обобщения опытных фактов. Причем абсолютная справедливость его не может быть гарантирована до тех пор, пока не станет ясным сам механизм тяготения. Константа электромагнитного взаимодействия отвечает за превращение заряженных частиц в такие же частицы, но при изменении скорости их движения и появлении дополнительной частицы — фотона. Сильное и слабое взаимодействия проявляются в процессах микромира, где возможны взаимопревращения частиц. Поэтому константа сильного взаимодействия αS количественно определяет взаимодействия барионов. Константа слабого взаимодействия αw связана с интенсивностью превращений элементарных частиц при участии нейтрино и антинейтрино.

148

Кроме «магических» констант, упомянутых в § 1.1, отметим гипотезу Дирака о том, что развитие Вселенной сопровождается уменьшением значения гравитационной постоянной во времени.

Он заметил, что отношение= 1040. Такое же число Дирак получил для отношения

размера нуклона к скорости света. Совпадение этих отношений в виде безразмерной величины 1040 с учетом возраста Вселенной 10—20 млрд лет (1017 с) и позволило ему считать, что если возраст увеличивается, то, чтобы сохранилась эта константа 1040, гравитационное взаимодействие уменьшается. Дирак не считал такое совпадение и наличие константы 1040 случайным. Оно проявляется и в других вариациях. Например, отношение размера Метагалактики (1028 см) к размеру нуклона (10-12 см) тоже равно 1040. Число тяжелых частиц во Вселенной

N= (1040)2 = = 1080 и др.

6.4.2.Фундаментальные взаимодействия и их роль в природе

Считают, что все четыре вида взаимодействия и их константы обусловливают нынешнее строение и существование Вселенной. Так, гравитационное — удерживает планеты на их орбитах и тела на Земле. Электромагнитное — удерживает электроны в атомах и соединяет их в молекулы, из которых состоим и мы сами. Слабое — обеспечивает длительное «горение» звезд и Солнца, дающего энергию для протекания всех процессов жизни на Земле. Сильное взаимодействие обеспечивает возможность стабильного существования большинства ядер атомов. Теоретическая физика показывает, что изменение числовых значений этих или других констант приводит к разрушению устойчивости одного или нескольких структурных элементов Вселенной. Так, например, увеличение массы электрона m0 от ~0,5 МэВ до 0,9 МэВ нарушит энергетический баланс в реакции образования дейтерия в солнечном цикле и приведет к дестабилизации стабильных атомов и изотопов. Дейтерий — атом водорода, состоящий из протона и нейтрона. Это «тяжелый» водород с А = 2 (тритий имеет А = 3.) Уменьшение αS всего на 40% привело бы к тому, что дейтерий был бы не стабилен. Увеличение же сделает стабильным бипротон, что приведет к выгоранию водорода на ран-

149

них стадиях эволюции Вселенной. Константа αе изменяется в пределах 1/170 < αе < 1/80. Другие значения приводят к невозможности должного отталкивания протонов в ядрах, а это ведет к нестабильности атомов. Увеличение αw привело бы к уменьшению времени жизни свободных нейтронов. Это означает, что на ранней стадии Вселенной

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.