Что такое слабое взаимодействие в физике
Виды взаимодействий
Взаимодействие является универсальной характеристикой различных систем, структур и наук. Многие природные объекты, материальные и нематериальные явления невозможно объяснить без взаимодействия, иначе взаимного действия, воздействия, влияния, которое оказывают объекты друг на друга. Основной причиной движения материи также является взаимодействие. Как и движение, категория взаимодействия универсальна.
В науке принято выделять четыре не сводящихся друг к другу вида взаимодействий. Это гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. В физике причиной изменения движения тел является сила. Исследуя окружающий нас мир, мы можем заметить множество разнообразных сил: сила тяжести, сила сжатия пружины, сила, возникающая при столкновении тел, сила трения и другие. Однако, когда была выяснена атомарная структура вещества, стало понятно, что все разнообразие этих сил есть результат взаимодействия атомов друг с другом. Поскольку атомы взаимодействуют через электростатическое поле электронных оболочек, то, как оказалось, все эти силы — лишь различные проявления электромагнитного взаимодействия. Действительно, представим себе два сталкивающихся бильярдных шара. Всегда слышится звук удара, но что при этом происходит. Всего навсего взаимодействовали электронные оболочки атомов.
Единственное исключение из этого многообразия сил — сила тяжести, причиной которой является гравитационное взаимодействие между двумя массивными телами. Чтобы понять, что представляют собой два оставшихся взаимодействия, нужно чуть лучше познакомиться с миром элементарных частиц.
Заглянем внутрь атомного ядра. Ядро состоит из двух видом элементарных частиц – протонов и нейтронов. Протоны – положительно заряженные элементарные частицы, довольно тяжелые (почти в 2000 раз тяжелее электрона). Нейтроны не имеют электрического заряда, еще чуть более тяжелые, чем протоны. Знание точных показателей массы и зарядов протонов и нейтронов дает возможность понять, что ядра атомов не смогли бы существовать только при наличии гравитационного и электрического взаимодействия. Сто лет назад именно такое положение вещей навело ученых на мысль о существовании еще одного типа взаимодействия – сильного.
Как оказалось позднее, и сильного взаимодействия недостаточно для описания всех процессов, происходящих в микромире. Необходимо было существование еще одного слабого взаимодействия. Для того чтобы понять, что представляют собой все эти виды взаимодействий проведем их сравнительную характеристику.
Гравитационное взаимодействие
В гравитационном взаимодействии участвуют все тела, обладающие массой, вне зависимости от их природы. Гравитационные силы являются лишь силами притяжения, так как все тела обладают положительной массой (за исключением темной энергии). Это взаимодействие определяется фундаментальным законом всемирного тяготения. Гравитационные силы убывают пропорционально квадрату расстояния между взаимодействующими телами. Закон всемирного тяготения Ньютона описывается формулой:
, где G — гравитационная постоянная.
Гравитационное взаимодействие определяет падание тел под действием силы тяготения Земли, а также движение планет в Солнечной системе, движение галактик во Вселенной и т.д.
Электромагнитное взаимодействие
Электромагнитное взаимодействие очень похоже на гравитационное. Отличие лишь в том, что у нас есть как положительные, так и отрицательные заряды, отсюда и возникновение как электрических, так и магнитных полей. Электромагнитное взаимодействие более сильное, чем гравитационное из-за большей константы связи (заряды в один кулон притягиваются сильнее, чем массы в один килограмм).
Данное взаимодействие позволяет электронам и атомным ядрам объединяться в атомы, атомам – в молекулы, а значит такое взаимодействие является основным в химических и биологических процессах. Без электромагнитного взаимодействия не было бы ни молекул, ни тепла, ни света, ни других макрообъектов. Законы Кулона, Ампера и электромагнитная теория Максвелла объясняет и описывает электромагнитное взаимодействие. Оно является основой создания самых разных радиоприемников, компьютеров, телевизоров и других электроприборов.
Электромагнитное взаимодействие в тысячу раз слабее сильно, но зато более дальнодействующее.
Сильное взаимодействие
Иначе этот вид взаимодействия называют ядерным, судя по названию оно самое сильное из всех представленных. Такое взаимодействия происходит на уровне атомных ядер. Ядерные силы – это один из видов проявления сильного взаимодействия. Это взаимодействие было открыто в 1911 году Э. Резерфордом практически одновременно с открытием ядра атома. Сильное взаимодействие передается с помощью глюонов, а протон и нейтрон теряют свои заряды и рассматриваются в сильном взаимодействии как нуклоны.
Ядра атомов являются очень устойчивыми системами, которые тяжело разрушить именно благодаря сильному взаимодействию частиц внутри атома. Без такого взаимодействия не смогли бы существовать атомные ядра, Солнце не смогло бы генерировать теплоту и свет без ядерных реакций, которые тоже возможно только благодаря сильному взаимодействию.
Слабое взаимодействие
Из-за наличия данного вида взаимодействия возможно совершение ядерных реакций внутри Солнца, а значит, Солнце светит и дарит нам тепло именно благодаря слабому взаимодействию. Возникновение новых звезд также возможно из-за слабого взаимодействия.
Сила слабого и сильного взаимодействия очень быстро убывает с расстоянием. Так, например, в достаточно большом атомном ядре (например, уран) сила притяжения нуклонов находящихся на диаметрально противоположных концах ядра очень мала. Именно поэтому ядро урана нестабильно и подвержено самопроизвольному распаду. На достаточно малых расстояниях сила сильного взаимодействия превосходит силу электромагнитного. Это делает стабильными такие атомные ядра как литий натрий и т.п.
Существуют такие частицы, которые участвуют только в слабом и гравитационном взаимодействии – это нейтрино. Из-за такой особенности их очень тяжело обнаружить в эксперименте.
Таким образом, описанными выше четырьмя видами взаимодействиями определяется то, как взаимодействуют все известные объекты: от элементарных частиц до звезд и галактик. Например, сильное и слабое взаимодействия полностью определяют время жизни всех элементарных частиц, а гравитация – движение звезд и планет. Однако, пока еще не все процессы во Вселенной удается объяснить, и потому продолжаются поиски новых типов взаимодействий.
Автор статьи: Михаил Карневский
Обновлено Татьяна Сидорова 29.03.2018
Перепечатка без активной ссылки запрещена!
Вы можете приложить к своему отзыву картинки.
3,75?1028 Люмен) или 3,827?1033 эрг/с. Средняя плотность теплового потока по земному шару составляет 87±2 мВт/м? или (4,42±0,10)•1013 Вт в целом по Земле, то есть примерно в 5000 раз меньше, чем средняя солнечная радиация. Около 60 % теплового потока (2,75•1013 Вт) приходится на внутренние источники тепла, остальные 40 % обусловлены остыванием планеты. Согласно измерениям нейтринного потока из недр Земли, на радиоактивный распад приходится 24 ТВт (2,4•1013 Вт) внутреннего тепла).* Сила тяжести – мощность гравитации ядра Земли и ядра Солнца тоже очень разные.
Гравитационная постоянная Земли GM Земли 398600.448 км 3/с 2
Гравитационная постоянная Солнца GM Солнца 132712.43994 x10 6 км 3/с 2
Разные уровни взаимодействия. У Солнца более высокий, более мощный, чем у Земли. Но Солнце по уровню состояния гравитации и энергии значительно уступает телу ядра галактики. Из центрального очень массивного плотного тела ядра галактики совершаются очень мощные выбросы энергии – выбросы плазмы, облаков газа. Иногда выбросы вытягиваются на расстояние до миллиона световых лет, заканчиваясь в своеобразных округлых, протяженных облаках газа. В таких облаках заключена колоссальная энергия – до 10 в 53 степени (то есть 10 с 53 нулями) Дж. Чтобы оценить количество этой энергии, достаточно сказать, что для её выделения пришлось бы полностью превратить в излучение массу десятков и даже сотен миллионов звезд (а у галактики NGC 6251, расположенной от нас на расстоянии 300 млн. световых лет, выброс тянется на 4 млн. световых лет). В галактике Лебедь А содержатся огромные газовые облака, скорости которых доходят до 500 км/сек. Мощность излучения этой радиогалактики сейчас порядка 1045 эрг/сек или более, и нет оснований предполагать, что оно после взрыва было меньше. Поэтому энергия, освободившаяся в результате взрыва и следовавших за ним процессов, составила, по меньшей мере, 1056-1058 эрг. Очень мощные выбросы из тела очень массивного ядра галактики. Оно и удерживает все выброшенные из себя (изнутри) все звезды, которые вращаются с огромными скоростями. Солнце постоянно движется в пространстве тяготения – силы притяжения ядра галактики. Его скорость равняется 720 тысячам км/ч, но это еще маленькая в сравнение с другими звездами. Недавно астрономы обнаружили звезду под названием S5-HVS1, которая движется со скоростью 6 миллионов км/ч. Эта звезда способна покинуть нашу галактику, но пока не покидает – очень массивное тело ядра галактики удерживает. Но во Вселенной есть тела помощнее, чем ядра галактик – это квазары, тела не галактического уровня. Квазар излучает в 1000 раз сильнее, чем это делает вся галактика с её мощным ядром. Квазар – это очень плотное (самое плотное обозримое) тело, по массе такова, что удерживает целые скопления галактик. Вот такие четыре уровня состояния силы притяжения – гравитации и энергии. Они исходили от самой плотной точки (самого плотного состояния гравитации и энергии – это центральная часть Вселенной). Энергия поэтапно, последовательно выбросом тел растягивала пространство гравитации. Образовалась иерархическая связь тел. Квазары связаны с центром Вселенной, которые в свою очередь связали скопления галактик (те тела, что вышли из квазар). Ядра галактик связаны с квазарами, а сами тела ядер галактик связали звезды, которые выбросили. А Солнце дало движение Земле и другим планетам, и удержала их. А Земля вытолкнула из себя Луну и скрепила в собственную свою систему. Четкая линейная последовательная связь. Взаимосвязь, взаимодействие двух противоположных сил притяжения (гравитации) и отталкивания – энергии.
ФИЗИКА ВСЕЛЕННОЙ.
Физика Всего. Физика жизни Вселенной.
Целостная физическая картина мира. Целостность физики.
Часть 167. Продолжение следует. Виктор Безгодков. 16.12. 2020 г.
Слабое взаимодействие
Содержание
Свойства
В слабом взаимодействии участвуют все фундаментальные фермионы (лептоны и кварки). Это единственное взаимодействие, в котором участвуют нейтрино (не считая гравитации, пренебрежимо малой в лабораторных условиях), чем объясняется колоссальная проникающая способность этих частиц. Слабое взаимодействие позволяет лептонам, кваркам и их античастицам обмениваться энергией, массой, электрическим зарядом и квантовыми числами — то есть превращаться друг в друга.
Первая теория слабого взаимодействия была разработана Энрико Ферми в 1930-х годах. Она описывала слабое взаимодействие как контактное взаимодействие между четырьмя фермионами — два фермиона при контакте превращались в другие два, и хорошо описывала β-распад ядер и распады адронов, но была неперенормируемой. Сегодня известно, что переносчиками слабого взаимодействия являются виртуальные W- и Z-бозоны. Поскольку их масса составляет около 90 ГэВ/c², радиус действия слабых сил, согласно принципу неопределенности, ограничен величиной 10 −18 м, что примерно в 1000 раз меньше диаметра атомного ядра.
Долгое время считалось, что законы природы симметричны относительно зеркального отражения, то есть результат любого эксперимента должен быть таким же, как результат эксперимента, проведенного на зеркально-симметричной установке. Эта симметрия относительно пространственной инверсии (которая обычно обозначается как P) связана с законом сохранения чётности. Однако в середине 1950-х Янг Чжэньнин и Ли Цзундао предположили, что слабое взаимодействие может не подчиняться этому закону. В 1957 году Ву Цзяньсун и сотрудники подтвердили это предсказание, что принесло Янгу и Ли Нобелевскую премию по физике за 1957 год. В 1957 году Маршак и Сударшан и, несколько позже, Фейнман и Гелл-Манн предложили лагранжиан для слабого взаимодействия. Оказалось, что на самом деле в слабом взаимодействии закон сохранения чётности нарушается настолько сильно, насколько это вообще возможно — в лагранжиан слабого взаимодействия входит прямая разность вектора, не меняющегося при зеркальном отражении, и псевдовектора, меняющего при этом знак, так что слабому взаимодействию подвержены только левые частицы (спин которых направлен противоположно импульсу), но не правые (спин которых сонаправлен с импульсом), и наоборот: правые античастицы взаимодействуют слабым образом, но левые — инертны. Зеркальное отражение превращает левую частицу в правую, что объясняет максимальное нарушение чётности в слабых взаимодействиях. То, что физики долгое время не замечали такого сильного нарушения симметрии, объясняется тем, что его специально никто не искал: зеркальная симметрия природы казалась самоочевидной.
В стремлении сохранить максимально возможную симметрию взаимодействий Лев Давидович Ландау в 1957 году предположил, что хотя P-симметрия нарушается в слабых взаимодействиях, в них должна сохраняться комбинированная симметрия CP — комбинация зеркального отражения и замены частиц на античастицы. Однако в 1964 году Джеймс Уотсон Кронин и Вал Логсден Фитч в распадах нейтральных каонов нашли слабое нарушение CP-чётности. За это нарушение также оказалось ответственным именно слабое взаимодействие, кроме того, теория в таком случае предсказывала, что кроме двух поколений кварков и лептонов, известных к тому времени, должно существовать как минимум ещё одно поколение. Это предсказание получило блестящее подтверждение сначала в 1975 году, когда был открыт тау-лептон, а затем в 1977 году с открытием b-кварка. Кронин и Фитч получили Нобелевскую премию по физике 1980 года.
В современной форме слабое взаимодействие описывается теорией Вайнберга—Салама — квантовой теорией поля с калибровочной группой SU(2)×U(1) и спонтанно нарушенной симметрией вакуумного состояния, вызванной действием поля бозона Хиггса. Доказательство перенормируемости такой модели Мартинусом Вельтманом и Герардом ‘т Хоофтом [2] было отмечено Нобелевской премией по физике за 1999 год.
В этой форме теория слабого взаимодействия входит в современную Стандартную модель, причём оно — единственное взаимодействие, нарушающее симметрии P и CP.
Слабый распад
Процесс распада более массивной частицы на более легкие вследствие слабого взаимодействия называется слабым распадом. Типичным примером является бета-распад нейтрона.
Спросите Итана №5: Слабое взаимодействие
Время подобно реке, несущей проходящие мимо события, и течение её сильно; только что-либо покажется вам на глаза — а его уже унесло, и видно что-то другое, что тоже вскоре унесёт.
Каждый из нас стремится создать целостную картину мира, включая картину Вселенной, от мельчайших субатомных частиц до величайших масштабов. Но законы физики порою настолько странные и контринтуитивные, что эта задача может стать непосильной для тех, кто не стал профессиональными теоритическими физиками.
Хотя это и не астрономия, но может быть вы подскажете. Сильное взаимодействие переносится глюонами и связывает кварки и глюоны вместе. Электромагнитное переносится фотонами и связывает электрические заряженные частицы. Гравитация, предположительно, переносится гравитонами и связывает все частицы с массой. Слабое переносится W и Z частицами, и … связано с распадом? Почему слабое взаимодействие описывают именно так? Ответственно ли слабое взаимодействие за притяжение и/или отталкивание каких-либо частиц? И каких? А если нет, почему тогда это одно из фундаментальных взаимодействий, если оно не связано ни с какими силами? Спасибо.
И всё это – взаимодействия, силы. Для частиц, состояние которых можно измерить, приложение силы меняет её момент – в обычной жизни в таких случаях мы говорим об ускорении. И для трёх из указанных сил это так и есть.
В случае гравитации, общая сумма энергии (в основном массы, но сюда входит вся энергия) искривляет пространство-время, и движение всех остальных частиц меняется в присутствии всего, что имеет энергию. Так оно работает в классической (не квантовой) теории гравитации. Может, и есть более общая теория, квантовой гравитации, где происходит обмен гравитонами, приводящий к тому, что мы наблюдаем как гравитационное взаимодействие.
Перед тем, как продолжить, уясните:
В электромагнетизме основное свойство – электрический заряд. В отличие от гравитации, он может быть положительным или отрицательным. Фотон, частица, переносящая взаимодействие, связанное с зарядом, приводит к тому, что одинаковые заряды отталкиваются, а различающиеся – притягиваются.
Стоит отметить, что движущиеся заряды, или электрические токи, испытывают ещё одно проявление электромагнетизма – магнетизм. С гравитацией происходит то же самое, и называется гравитомагнетизм (или гравитоэлектромагнетизм). Углубляться не будем – суть в том, что есть не только заряд и переносчик силы, но и токи.
Масс везде много, поэтому гравитацию наблюдать легко. А поскольку сильное взаимодействие и электромагнетизм довольно сильны, их тоже легко наблюдать.
Но что насчёт последнего? Слабого взаимодействия?
Про него мы обычно говорим в контексте радиоактивного распада. Тяжёлые кварк или лептон распадаются на лёгкие и более стабильные. Да, слабое взаимодействие имеет к этому отношение. Но в данном примере оно как-то отличается от остальных сил.
Оказывается, что слабое взаимодействие – тоже сила, просто про неё нечасто рассказывают. Она ведь слабая! В 10 000 000 раз слабее, чем электромагнетизм, на дистанции длиной в диаметр протона.
Заряженная частица всегда имеет заряд, независимо от того, двигается она или нет. Но электрический ток, создаваемый ею, зависит от её движения относительно остальных частиц. Ток определяет магнетизм, который так же важен, как и электрическая часть электромагнетизма. У составных частиц вроде протона и нейтрона есть существенные магнитные моменты, как и у электрона.
Кварки и лептоны бывают шести ароматов. Кварки – верхний, нижний, странный, очарованный, прелестный, истинный (согласно их буквенным обозначениям в латинице u, d, s, c, t, b — up, down, strange, charm, top, bottom). Лептоны – электрон, электрон-нейтрино, мюон, мюон-нейтрино, тау, тау-нейтрино. У каждого из них есть электрический заряд, но также и аромат. Если мы объединим электромагнетизм и слабое взаимодействие, чтобы получить электрослабое взаимодействие, то у каждой из частиц будет некий слабый заряд, или электрослабый ток, и константа слабого взаимодействия. Всё это описано в Стандартной модели, но проверить это было довольно сложно, поскольку электромагнетизм настолько силён.
В новом эксперименте, результаты которого недавно были опубликованы, впервые был измерен вклад слабого взаимодействия. Эксперимент позволил определить слабое взаимодействие верхних и нижних кварков
и слабые заряды протона и нейтрона. Предсказания Стандартной модели для слабых зарядов были такие:
А по результатам рассеяния эксперимент выдал следующие значения:
Что очень хорошо совпадает с теорией с учётом погрешности. Экспериментаторы говорят, что обработав больше данных, они ещё уменьшат погрешность. И если там будут какие-то сюрпризы или расхождения со Стандартной моделью, это будет круто! Но на это ничто не указывает:
Поэтому у частиц есть слабый заряд, но мы про него не распространяемся, поскольку его нереально тяжело измерить. Но мы всё-таки сделали это, и судя по всему, снова подтвердили Стандартную модель.
Фундаментальные физические взаимодействия: просто о сложном
Фундаментальной рубрике – фундаментальная тема. Постараемся рассказать о ней простым языком и кратко. Что такое физические взаимодействия, почему они важны, какие есть типы фундаментальных физических взаимодействий и их характеристики.
За студенческими новостями на злобу дня добро пожаловать на наш телеграм-канал.
Элементарные частицы: что это такое и какие они бывают
Начнем с самого начала. Все вокруг состоит из частиц. Грубо говоря, тем, что Земля – круглая, а небо – голубое, мы обязаны тому, как разные частицы с различными свойствами взаимодействуют между собой.
Элементарная частица – микрообъект субъядерного масштаба, который невозможно расщепить на более мелкие составные части.
Какие бывают элементарные частицы? По значению спина их делят на бозоны и фермионы. Но, конечно же, это далеко не все. Чтобы понять все многообразие частиц, вот небольшая схема с их классификацией.
Элементарных частиц насчитывается очень много. Так, стандартная модель насчитывает 61 частицу. А всего вместе с античастицами известно более 350 элементарных частиц. К тому же, ученые полагают, что существуют и неизвестные до сих пор частицы.
Понятие фундаментального физического взаимодействия
Чтобы понять и объяснить, как же все это работает, специально была разработана «теория всего». Точнее, сначала придумали стандартную модель, но из-за проблем с теорией квантовой гравитации она не включала в себя гравитационного взаимодействия. На данный момент теория всего насчитывает четыре фундаментальных физических взаимодействия:
Здесь они выстроены в порядке интенсивности. Вполне возможно, есть еще какое-то фундаментальное взаимодействие, о котором мы пока просто не знаем.
Пятым фундаментальным взаимодействием иногда называют Поле Хиггса. Подробнее об открытии знаменитого бозона Хиггса читайте в отдельной статье.
Рассмотрим каждое взаимодействие в хронологическом порядке.
Гравитационное взаимодействие
Его начали изучать одним из первых, а теория гравитации Ньютона на долгие годы легла в основу классической механики. Гравитация – уникальное и внезапно самое слабое из всех взаимодействий. Чем больше масса объекта, тем сильнее проявляется гравитация. Движение небесных тел и свободное падение происходят за счет гравитации, а гравитационное взаимодействие проявляется на огромных расстояниях. В масштабах микромира оно практически ничтожно.
Электромагнитное взаимодействие
Это основной вид взаимодействия между атомами, который начали активно изучать в 19 веке. Именно электромагнитная природа лежит в основе многих сил: упругости, трения и т.д. Исключение – сила тяжести, она является следствием гравитационного взаимодействия. Суть проявления электромагнитного взаимодействия описывается законом Кулона: между электрическими зарядами действуют силы притяжения и отталкивания.
Слабое взаимодействие
Уже с открытием радиоактивности и ядерных реакций ученые задумались: почему и благодаря какой силе ядро или составная частица распадаются? Логично было предположить, что за эти процессы ответственно еще одно взаимодействие, которое назвали слабым. Оно проявляется на расстояниях меньше атомного ядра.
Электромагнитное и слабое взаимодействие объединены теорией электрослабого взаимодействия.
Сильное взаимодействие
Ну ладно, с распадом разобрались. Но почему стабильные ядра атомов сами по себе не распадаются на протоны и нейтроны? Тем более, что положительные протоны в ядре должны отталкиваться друг от друга из-за электромагнитного взаимодействия. Очевидно, здесь действует штука посильнее, и это – сильное взаимодействие, которое проявляется на совсем уж маленьких расстояниях внутри атомного ядра между нуклонами.
Конечно, здесь мы рассказали обо всем очень кратко и без единой формулы. Хотите разобраться глубже? Попробуйте почитать учебники по квантовой физике. Но будьте осторожны, учеными доказано, что они являются сильнодействующим снотворным. А если на каком-то этапе возникнут сложности, обращайтесь в профессиональный сервис помощи учащимся.