§ 130. Типи фізичних взаємодій у природі

У процесі вивчення фізики розглядалися три типи рівних за своєю природою взаємодій: гравітаційна, елект­ромагнітна і ядерна. Ці три взаємодії не вичерпують усіх відомих тепер. Особлива взаємодія проявляється в усіх процесах, в яких беруть участь нейтрино. Які ж особливості цих чотирьох типів взаємодії?

Найбільшою є взаємодія між ядерними частинками («ядерні сили»). Цю взаємодію прийнято називати силь­ною. Вище вже говорилося про те, що ядерні сили діють лише при дуже малих відстанях між частинками: радіус дії порядку

Наступною за значенням в електромагнітна взаємодія. Вона менша за сильну на два порядки. Однак з відстанню

вона змінюється повільніше, ніж, так що радіус дії

електромагнітних сил нескінченний.

Далі йде взаємодія, обумовлена участю в реакціях нейтрино. За порядком величини ці взаємодії менші за сильні враз. Ці взаємодії прийнято називати слаб-

кими. Очевидно, радіус їх дії такий самий, як і у випадку сильної взаємодії.

Найменшою з відомих взаємодій є гравітаційна. Вона менша за сильну на 39 порядків — у раз. З від-

станню гравітаційні сили зменшуються так само повільно, як і електромагнітні, так що їх радіус дії теж нескінчен­ний. Надзвичайна мізерність гравітаційних сил дає мож­ливість ігнорувати їх у фізиці мікрочастинок.

Із сказаного випливає також, чому в космосі основна роль належить гравітаційним взаємодіям. Радіус дії силь­них і слабких взаємодій мізерний. Електромагнітні взаємо­дії відіграють обмежену роль тому, що існують електричні заряди двох знаків і заряджені частинки прагнуть до утворення нейтральних систем, поле яких (за винятком породженого ними випромінювання) локалізоване в них самих. Гравітаційні «заряди»-маси — завжди одного й того са:.юго знака, гравітаційні сили — завжди сили притягання. їх не можна компенсувати силою протилеж­ного знаку, від них не можна екранізуватися. Звідси — їх домінуюча роль у космосі.

Відповідно до значення сил взаємодії різним £уде й час, необхідний для здійснення реакції, обумовленої цією взаємодією. Так, для здійснення реакції, яка відбувається внаслідок сильної взаємодії, потрібен час порядкус.

Дійсно, в результаті дії ядерних сил реакція встигає відбутися під час зіткнення частинок високих енергій, відносна швидкість яких наближається до швидкості світла с. При такій швидкості час, протягом якого ча­стинки взаємодіють, дорівнює частці від ділення радіуса дії ядерних сил на швидкість світла:

Час, необхідний для здійснення процесу, що реалі­зується внаслідок електромагнітної взаємодії, згідно з його величиною більший на два порядки, і становить Процеси, обумовлені слабкою взаємодією, вимагають біль­шечасу, ніж у випадку сильних, на 14 порядків, тобто

Зараз не можна сказати, чи впливають, і наскільки істотно, гравітаційні сили на саму структуру мікрочасти­нок. Але, мабуть, можна твердити, що в реакціях, обумов­лених взаємодіями частинок, гравітаційні сили практично ніякої ролі не відіграють, оскільки характерний час занадто великий: років.

З питанням про взаємодії тісно зв'язане питання про заряди. Пояснимо його на прикладі добре відомого елек­тричного заряду.

Наявність електричних зарядів у частинок означає, що між цими частинками має місце специфічна електро­магнітна взаємодія. Електричний заряд частинки виступає тут як «стала зв'язку», характеризуючи взаємодію час­тинок з електромагнітним полем і через нього — між собою. Істотно, що електричні заряди задовольняють суворі закони збереження.

Можна припустити, що іншим типам взаємодій від­повідають свої специфічні «заряди», наприклад силь­ному — ядерний, або баріонний заряд, введений у 1938 р. Як показує дослід, баріонний заряд задовольняє суворі закони збереження. У 1953 р. Я. Б. Зельдович запропону­вав уявлення про збереження нейтринного заряду. Зараз відомі два типи нейтрино, так що, мабуть, таких зарядів слід ввести два.

Із закону збереження зарядів випливає, що заряджена частинка не може виникнути без того, щоб не виникла інша із зарядами протилежних знаків (так, щоб сумарний заряд усієї системи частинок не змінювався). Прикладом такої реакції є перетворення нейтрона в протон. При цьому народжуються ще дві частинки — електрон і ней­трино. Електричний заряд (не кажучи поки що про інші) при цьому перетворенні зберігається. Так само зберігає* ться він у процесі перетворення фотона в пару електрон — позитрон або під час народження такої самої «пари» внаслідок зіткнення двох електронів.

Подібних реакцій, причому для частинок самої різної природи, відомо зараз безліч. Частинки таких пар мають завжди тотожні маси спокою, спіни, якщо вони нестійкі — середній час життя. Однак знаки всіх зарядів компонентів

пари — протилежні. В таких парах одна частинка в анти частинкою відносно другої (яку назвати частинкою, а як; античастинкою — байдуже).

Під час зіткнення частинки з античастинкою вони можуть взаємно знищитися — «анігілювати». При цьому виконуються, зрозуміло, всі відомі закони збереження — енергії, імпульсу, моменту імпульсу (при анігіляції пари закон збереження зарядів виконується автоматично).

Ми вже говорили, що різні процеси, в яких беруть v-часть елементарні частинки, обумовлюються трьома ипами взаємодій: сильною, електромагнітною і слабкою. На сучасному рівні наших знань ці три типи взаємодії здаються зовсім незалежними, не зв'язаними між собою Насправді, мабуть, це не так, і у процесі подальшого розвитку науки будуть знайдені взаємні зв'язки між цимі* тилами взаємодій. Зараз ведуться інтенсивні спроби зни йти основу для об'єднання різних взаємодій. На створення єдиної теорії покладав надії А. Ейнштейн, якому так і н< вдалося здійснити свої задуми. На початку 60-х років американські фізики С. Вайнберг і ПІ. Глешоу та паки станський фізик А. Салам запропонували так звану калібрувальну теорію, яка об'єднала слабку й електромагнітну взаємодії. У цій електрослабкій теорії слабка й електромагнітна взаємодії розглядаються як два різні прояви єдиної, більш фундаментальної взаємодії. Електрослабка теорія досягла значних успіхів, до числа яких насамперед відноситься передбачення існування масивних елементарних W ⁺ - і W-частинок — проміжних бозонів як передатчиків слабкої взаємодії. Це перед­бачення блискуче підтвердилося у 1983 р. експеримен тальним доведенням існування W-частинок. Створення електрослабкої теорії було відзначено присудженням С. Вайнбергу, Ш. Глешоу і А. Саламу Нобелівської премі¹ з фізики за 1979 р.

Існує приваблива ідея об'єднати в єдину калібрувальну теорію всі три взаємодії — сильну, електромагнітну і слаб­ку. Однак її реалізація наштовхується на серйозні труд­нощі, як математичні, так і фізичні. Основна фізична трудність полягає в неминучій появі багатьох «зайвих» частинок. Ці «зайвії частинки, як правило, можуть мати маси, набагато більші за маси відомих частинок. Крім того, калібрувальна теорія електрослабкої взаємодії перед­бачав існування так званих частинок Хіггса, які, на думку вчених, відповідають за появу в частинок маси. Однак досі ці частинки виявити не вдається.