что такое сильное поле
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.
Фундаментальные взаимодействия
От прогулки по улице, до запуска ракеты в космос, или прикрепления магнита на ваш холодильник, физические силы действуют всюду вокруг нас. Но все силы, которые мы переживаем каждый день (и многие из них мы не осознаем) могут быть сведены всего к четырём фундаментальным взаимодействиям:
Они называются четыре фундаментальные силы природы, и они управляют всем, что происходит во всей Вселенной.
Гравитация
Гравитация это притяжение между двумя объектами, которые имеют массу или энергию, это видно, когда бросаешь камень с моста, когда планеты кружат по орбите вокруг звезды или когда Луна становится причиной приливов и отливов на Земле. Гравитация, возможно, самая подсознательно воспринимаемая и знакомая из фундаментальных сил, но она также является самой сложной для объяснения.
Исаак Ньютон был первым, кто предложил идею гравитации, предположительно его на это вдохновило яблоко, которое упало с дерева. Он описал гравитацию как постоянное притяжение между двумя объектами. Спустя века, Альберт Эйнштейн предложил свою теорию общей относительности, согласно которой гравитация это не притяжение, а сила. Массивный объект ведёт себя в пространстве-времени, немного похоже на то, как большой мяч расположенный посреди листа влияет на материю, деформируя её и заставляя другие, меньшие, объекты на листе двигаться к центру.
На этом снимке, полученном космическим телескопом “Хаббл”, показан детальный вид центральной части спиральной галактики без перемычки NGC 772. Авторы и права: NASA / ESA / Hubble / A. Seth et al.
Гравитацией удерживаются вместе планеты, звёзды и даже галактики, она оказывается самой слабой из фундаментальных сил, особенно на молекулярных и атомарных уровнях. Подумай об этом: Насколько тяжело поднять мяч с земли? Или поднять твою ступню? Или прыгнуть? Все эти действия противодействуют гравитации всей Земли. А на молекулярном и атомарном уровнях, гравитация почти не имеет никакого влияния в сравнении с другими фундаментальными силами.
Электромагнетизм
Электромагнитное взаимодействие также называется силой Лоренца и действует между заряжёнными частицами. Противоположные заряды притягивают друг друга, в то время как одинаковые заряды отталкиваются. Чем больше заряд, тем сильнее сила. Точно так же, как и гравитация, эта сила может чувствоваться с бесконечного расстояния (хотя сила будет очень, очень мала на таком расстоянии).
Как указывает её название, электромагнитная сила состоит из двух частей электрической силы и магнитной силы. Сначала физики описывали эти силы как отдельные друг от друга, но позже исследователи осознали, что они являются компонентами одной и той же силы.
Электрический компонент действует между заряжёнными частицами двигаются ли они или нет, создавая поле, которым заряды могут влиять друг на друга. Но если их привести в движение эти заряжённые частицы начинают демонстрировать второй компонент, магнитную силу. Частицы создают магнитное поле вокруг них в то время, когда они движутся. Таким образом, когда электроны спешат по проводам, чтобы зарядить ваш компьютер или телефон, или включить ваш телевизор, вокруг провода образуется магнитное поле.
Магнитные поля в спиральной галактике Мессье 77. Магнитные поля выравниваются по всей длине массивных спиральных рукавов галактики, подразумевая, что гравитационные силы, которые создали форму галактики, также сжимают и её магнитное поле. Авторы и права: NASA / SOFIA / JPL-Caltech / Roma Tre University.
Электромагнитные силы передаются между заряжёнными частицами в результате обмена невесомыми, несущими силу бозонами, которые называются фотоны. Несущие силу фотоны, которые меняются местами с заряжёнными частицами, в то же время являются другой формой фотонов.
Электромагнитные силы ответственны за некоторые из самых часто наблюдаемых явлений: трение, упругость, нормальная сила и сила удержания твёрдых тел в заданной форме. Они также ответственны за притяжение, которое испытывают птицы, самолеты и даже Супермен, во время полёта. Это становится возможным благодаря тому, что заряжённые (нейтральные) частицы взаимодействуют друг с другом. Нормальная сила, которая держит книгу на крышке стола, например, является последствием отталкивания электронов атомов стола и электронов атомов книжки.
Сильное взаимодействие
Хотя, сильное взаимодействие является нерегулярным, потому что, в отличие от любой другой фундаментальной силы, оно становится слабее, когда между субатомными частицами уменьшается расстояние. Фактически она достигает максимальной силы, когда частицы находятся дальше всего друг от друга. Крошечная частица сильного взаимодействия, называемая остаточным сильным взаимодействием, действует между протонами и нейтронами. Протоны в ядрах отталкивают друг друга потому что они имеют одинаковый заряд, но остаточное сильное взаимодействие может побороть это отталкивание, таким образом частицы остаются связанными в aтомных ядрах.
Слабое взаимодействие
Слабая сила, также называется слабым ядерным взаимодействием, ответственна за распад частиц. Это постоянное изменение одного типа субатомных частиц в другие. Таким образом, например, нейтрино который случайно пройдёт близко возле нейтрона может превратить нейтрон в протон, в то время, как нейтрино станет электроном.
Наше Солнце – звезда второй популяции возрастом около пяти миллиардов лет. Она включает в себя элементы, которые тяжелее водорода и гелия, а также кислород, углерод, неон и железо. Авторы и права: NASA / Solar Dynamics Observatory.
Слабое взаимодействие критично для реакции ядерного слияния, которая даёт энергию Солнцу и производит энергию, которая требуется для большинства форм жизни здесь на Земле. Именно поэтому археологи могут использовать, радиоактивный углерод, чтобы датировать древние кости, дерево и другие артефакты. Радиоактивный углерод имеет шесть протонов и восемь нейтронов, один из этих нейтронов распадается в протон, чтобы создать радиоактивный азот, который имеет семь протонов и семь нейтронов. Этот распад происходит прогнозируемо, что позволяет учёным определять насколько старым является такой артефакт.
Единая теория фундаментальных взаимодействий
Главный вопрос четырёх фундаментальных взаимодействий заключается в том являются ли они в действительности проявлением единой большой силы Вселенной или нет. Если да, каждая из них должна быть в состоянии объединяться с другими, и уже есть некоторые доказательства.
Физики Шелдон Глашоу и Стивен Вайнберг из Гарвардского университета с Абдусом Салам с Империального колледжа в Лондоне выиграли Нобелевскую премию по физике в 1979 за объединение электромагнитной и слабой сил в результате чего появилась электрослабое взаимодействие. Физики также пытались объединить электрослабую силу с сильным взаимодействием,. Окончательный кусочек пазла будет требовать объединения гравитации с электросильной силой, чтобы развить, так называемую теорию всего, теоретическую систему взглядов, которая могла бы объяснить всю Вселенную.
Физикам довольно сложно совместить микромир с макромиром. На больших и в особенности астрономических шкалах, гравитация доминирует и лучше всего описывается теорией общей относительности Эйнштейна. Но на молекулярных, атомных и субатомных шкалах доминирует квантовая механика. На данный момент никому ещё не удалось найти хороший способ объединить эти два мира.
Физики, изучающие квантовую гравитацию, имеют своей целью описать силу в условиях квантового мира, что могло бы помочь с объединением. Фундаментальным для этого подхода было бы открытие гравитонов, теоретических, несущих силу бозонов гравитационной силы. Гравитация – это единственная фундаментальная сила, которую физики могут сейчас описать, не используя частицы, которые несут силу. Но, потому что описания всех других фундаментальных сил требует частиц, которые несут силу, учёные ожидают, что гравитоны должны существовать на субатомном уровне – исследователи эти частички просто пока не нашли.
Масса галактик в скоплении Abell 2744 составляет менее пяти процентов от общей массы. Газ (около 20 процентов) настолько горячий, что светит только в рентгеновских лучах (выделен красным). Невидимая тёмная материя (около 75 процентов массы) здесь окрашена в синий цвет. Авторы и права: NASA / EKA.
Чтобы ещё больше всё усложнить можно вспомнить о невидимом царстве тёмной материи и тёмной энергии. Неясно состоят ли тёмная материя и энергия из одной частицы или всего набора частиц, которые имеют их собственные силы и носители бозоны.
Первичные носители-частицы, которые представляют интерес – это теоретический тёмный фотон, который передавал бы взаимодействия между видимой и невидимой материей. Если тёмные фотоны существуют, они могли бы привести к открытию пятой фундаментальной силы. Пока, однако, нет доказательств того, что тёмные фотоны существуют и некоторые исследования предоставили сильные доказательства, что эти частички не существуют.
Силовые поля. Возможны ли они в реальности?
Силовые поля — обычное явление в мирах научной фантастики. И, как правило, их природа остается без какого-либо объяснения. Большинство произведений такого рода обычно не раскрывает природу подобных технологий…
Что такое силовые поля?
Идея достаточно проста: силовое поле — это тонкий барьер из энергии или частиц, который способен блокировать проникновение через него твердой материи. Обычно это какие-нибудь ракеты, пули, мечи, комары или даже радиация. Силовые поля в основном используются как защитные системы. В случае опасности они появляются над защищаемыми городами, препятствую проникновению в них опасных лазеров или снарядов тяжелой артиллерии.
Однако на самом деле их можно использовать и по другому. Представьте себе совершенно новые фантастические пейзажи, созданные с помощью этой технологии. Силовые поля могли бы применяться не только в войнах и космических путешествиях. Из них можно было бы строить целые города.
Физик Митио Каку в своей книге «Физика невозможного» пишет, что силовые поля когда-нибудь заменят обычные строительные материалы, такие как кирпич и сталь. Использование подобных технологий позволит гораздо дешевле и быстрее строить дороги, мосты и города. И строить их в самых сложных местах. Поскольку силовые поля могут действовать как барьер от внешнего мира, можно было бы строить дома в местах, столь же безжалостных как, например, океанские глубины.
Представьте себе футуристический город, окруженный любопытными морскими обитателями, ошалело наблюдающими за тем, как живут в огромном подводном пузыре люди😉.
Все не просто
Без всякого преувеличения можно сказать, что изобретение подобной технологии произведет настоящую революцию.
Однако на самом деле здесь все не так просто.
Плазма как щит от пришельцев
Хорошо, какие же есть еще варианты? Давайте обратимся к состояниям материи. Наиболее известные из них это твердое, жидкое и газообразное. Однако, как бы это странно не звучало, это не самые распространенные состояния материи во Вселенной. Плазма является еще одним состоянием материи. И именно она наиболее распространена в космосе. Более 99% вещества во Вселенной — это плазма. В этом состоянии электроны не связаны с атомами. А это означает, что плазменный газ может проводить электричество. И подвергаться влиянию магнитных полей. Эти магнитные поля, в теории, могут превратить плазму в тонкие защитные сферы из научно-фантастических романов. Если мы создадим плазму, нагревая такой газ, как аргон, она будет светиться фантастическим электрическим синим цветом…
Да. Для создания силовых полей нужно использовать плазму. Нагретая до высокой температуры она легко испарит предметы, с которыми соприкасается. И не только. У ученых есть доказательства того, что плазма также может останавливать и излучение. Именно она защищает Землю в ионосфере атмосферы нашей планеты.
Создание реального силового поля будет зависеть от достижений в различных областях науки. Нам нужны новые технологии, в том числе в области фотохроматики, которая будет фильтровать высокоэнергетическое излучение. Фотохроматика позволит силовому полю блокировать входящие лазерные лучи с вражеской стороны. Ну на тот случай, если враждебные пришельцы прилетят захватывать Землю.
Нужно подождать
Когда же у человечества появится столь продвинутая и, несомненно, очень ценная технология? По разным оценкам — не раньше, чем через несколько десятилетий. Как раз такое время нам понадобится, что бы начать всерьез осваивать ближайшие к нам миры Солнечной системы.
Силовые поля станут основной технологией будущих преобразований и научного прогресса. Они раздвинут границы нашей науки. Ведь это намного больше, чем просто купол, под которым можно спрятаться во время нападения. Подобные знания дадут нам материал, из которого можно будет простроить сказочную жизнь в пустыне. Или даже в Воркуте.
Основная ценность силовых полей состоит в том, что они смогут защитить нас от разрушительной войны. И позволят осваивать даже самые экстремальные уголки космоса…
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Сила известных физических взаимодействий
В этой статье я хочу обсудить основные свойства известных нам взаимодействий – четырёх наблюдаемых и пятого – нового – о чьём существовании мы делаем вывод из открытия частицы Хиггса.
Конкретно я хочу обсудить, что имеют в виду специалисты по физике частиц, описывая взаимодействия, как слабые или сильные. Такую терминологию вы можете встречать часто, но если её никто вам не объяснял, невозможно догадаться, что она означает. Так что вот вам объяснение – хоть и длинное, но, надеюсь, оно откроет вам глаза на то, как работает природа, а также поднимет много новых вопросов, на которые я надеюсь ответить позже.
«Слабые» против «сильных»
Что означают эти термины? В обычной жизни мы представляли бы, что сильное взаимодействие может поднять нас в воздух, а со слабым мы можем справиться, немного напрягши мускулы. Но специалисты по физике частиц имеют в виду вовсе не это.
Говоря о сильных и слабых, физики не имеют в виду абсолютную силу или слабость взаимодействия. Речь не идёт о том, сможет ли взаимодействие разбить окно или удержать золотой слиток. В этом контексте термины «сильный» и «слабый» не совсем абсолютные, в том смысле, в котором мы используем их в повседневной жизни или даже в начальных классах по физике. Эта терминология появилась благодаря глубокому пониманию квантовой теории поля, современного математического языка, используемого для описания известных элементарных частиц и сил. Но он фундаментален для современного обсуждения этих проблем физиками. Так что я начну с обоснования причин появления таких терминов.
Возьмём пару объектов определённого типа, допустим, элементарных частиц, и поместим их на расстоянии r друг от друга. Допустим, каждая оказывает воздействие F на другую. Тогда мы скажем, что воздействие слабое, если
Где h – постоянная Планка, c – скорость света. Часто в физике удобно использовать не h, а
Короче говоря, в физике частиц:
• Для слабого взаимодействия 
• Для сильного взаимодействия 
Обычно, даже в теоретических изысканиях, нам не встречаются взаимодействия гораздо сильнее 
. Такая сила делает их столь сложными, что мы работаем с ними иным способом. Но это долгая история.
Получается, что подобная характеристика говорит не об абсолютной силе или слабости взаимодействия, но о том, является ли оно сильным или слабым по сравнению с типичными взаимодействиями, работающими на расстоянии r. Учитывается не само взаимодействие; учитывается взаимодействие, помноженное на квадрат расстояния, и эта величина сравнивается с ℏ c.
Чтобы объяснить полезность этого понятия, я дам иллюстрацию для случая электромагнитных взаимодействий, воздействующих на простые заряженные частицы – электроны, позитроны и протоны. Электрический заряд электронов равен –e; у протонов и позитронов заряд равен +e.
Во-первых, представьте два неподвижных протона, каждый массой m и электрическим зарядом +e, находящихся на расстоянии r друг от друга. Электрическая сила расталкивает их в стороны, и её величина задаётся формулой
Та же формула применима и для двух электронов с зарядом –e. Для электрона и позитрона взаимодействие будет таким же, только оно будет притягивать их, а не расталкивать.
Поскольку 0,007 гораздо меньше 1, электромагнетизм – слабое взаимодействие, и остаётся таким на всех расстояниях, измеренных нами.
Кстати, для этой величины 0,007 есть историческое название; её называют постоянной тонкой структуры (поскольку она задаёт размер небольших отличий в энергиях различных конфигураций атомов), и обычно обозначают α:
Это одна из наиболее точно измеренных величин природы. Часто люди записывают её примерно равной 1/137 (и многие годы некоторые учёные думали, что число 137 какое-то особенное), но если делать это совсем точно, тогда придётся записать 1/137,0359990…
Так почему же тот факт, что α гораздо меньше 1, говорит о том, что это взаимодействие надо записать в слабые, а не в сильные?
Почему то, что α 2 × α 2 /8;
энергия взаимодействия (потенциальная) двух частиц равна –mc 2 × α 2 /2;
• связывающая энергия B позитрониума (сумма энергии движения и энергии взаимодействия) равна mc 2 × α 2 /4;
• энергия массы позитрониума 2 mc 2 – B; и поскольку второе гораздо меньше первого, то масса атома оказывается всего лишь немногим меньшей, чем сумма масс электрона и позитрона.
Короче говоря, из-за того, что α гораздо меньше 1, существуют три важнейших, связанных между собой факта:
Все эти утверждения верны вне зависимости от того, насколько велика или мала масса электрона; они зависят только от малой величины α.
Всё это вместе значит, что для описания этого похожего на атом состояния Эйнштейновская специальная теория относительности не важна. Законы движения Ньютона достаточно хорошо подходят для предсказаний, вплоть до деталей, не больших, чем α – то есть, с точностью в 1% или лучше. И, как мы увидим далее, это значит, что система относительно проста. Её можно описать, используя квантовую механику с достаточно простой математикой, без участия квантовой теории поля, которая была бы необходима, если бы была важна СТО. Математика атома водорода такая же, как у позитрониума, и она настолько простая, что физики знакомятся с ней в институте, на первых уроках по квантовой механике.
Об этом можно думать ещё одним полезным, хотя и менее известным способом. Нужно помнить, что электроны, как и все элементарные частицы, в реальности являются квантами – крохотными возмущениями квантовых полей. Они больше похожи на волны, чем на мелкие шарики. Соответственно, они вибрируют, как и все волны: у них есть частота вибраций. Время, проходящее от одной вибрации до другой – которое я люблю поэтически называть «сердцебиением» – равно hc/m. Если α мало, тогда время, требуемое свету на то, чтобы пересечь атомоподобное состояние, гораздо больше, в 1/α раз, чем сердцебиение частиц, которое оно содержит. В этом смысле позитроний довольно большой. И поскольку сами частицы перемещаются гораздо медленнее света, у частиц на пересечение этого атомоподобного состояния уходит ещё больше времени – что-то в районе 1/α 2 сердцебиений.
Что было бы, если бы α была бы примерно равной 1?
Теперь представим, что α постепенно растёт и приближается к 1. Что случится с позитрониумом?
Рис. 1
С увеличением α взаимодействие (на любом расстоянии) между электроном и позитроном становится сильнее, и поскольку они притягиваются сильнее, то частицы в атомоподобном состоянии сдвигаются ближе. Частицы движутся быстрее, приближаясь к скорости света. Энергия движения частиц растёт, величина энергии взаимодействия растёт, как растёт и энергия связи – и приближается к 2m. Соответственно, масса атомоподобного состояния уже не равна примерно 2m. Размер атомоподобного состояния становится меньше; время, требуемое на пересечение его светом, время, требуемое на пересечение его частицами, и время, проходящее между двумя сердцебиениями частиц, начинают сравниваться между собой.
Усиление взаимодействия электрона и позитрона приводит к более частому появлению виртуальных фотонов; присутствие большего количества энергии в атоме облегчает превращение виртуального фотона в виртуальные электрон и позитрон. Когда это происходит, становится трудно сказать, какой электрон реален, а какой виртуален, поскольку между двумя электронами тоже действуют мощные силы, как и между электроном и любым из позитронов. Это может привести к тому, что частица, бывшая реальной, станет виртуальной, и сделает виртуальную частицу реальной – и обратно. А в это время виртуальные электроны и позитроны также могут испускать или поглощать фотоны, которые могут быть и виртуальными, и реальными.
Само разделение между реальными и виртуальными частицами становится сложнее провести. Реальные частицы должны быть правильно ведущими себя возмущениями квантовых полей. Но атомоподобное состояние настолько мало, что у электрона и позитрона на его пересечение уходит всего одно сердцебиение, а в этот момент мощные взаимодействия уже принудят их изменить направление. Как мы можем казать, что такая частица похожа на хорошо себя ведущее возмущение? Хорошо себя ведущая волна должна волноваться некоторое время – несколько сердцебиений – перед тем, как на неё начнут оказывать влияние внешние силы. А тут наш электрон, хотя он и больше похож на реальную частицу, чем на виртуальную, всё же сильно искажается, и уже не подходит под определение «реальной частицы». И этот электрон вообще может существовать недолго. За появлением виртуальной электрон-позитронной пары может последовать аннигиляция бывшего реального электрона с новообразованным позитроном, после чего останется возможно реальный/возможно виртуальный электрон.
Так что, вместо того, что у нас есть малое α – простая система с массой чуть меньше 2m, состоящая из электрона и позитрона, движущихся со скоростями гораздо меньше световой – при приближении α к 1 мы обнаруживаем чрезвычайно сложную систему, в которой множество частиц движется с околосветовыми скоростями, с массой, сильно отличающейся от 2m (см. рис. 1). Невозможно сказать, сколько частиц находится внутри – будем ли мы считать только реальные? Если да, каким образом точно отличить почти реальные от почти виртуальных? Количество реальных частиц может постоянно меняться.
Кстати, электрическое взаимодействие между двумя электронами слабое из-за того, что α мало. То же самое верно для взаимодействий между двумя элементарными частицами, поскольку заряды всех известных частиц находятся в промежутке от –e до e – к примеру, заряд верхних кварков равен 2/3 e. Вы можете заинтересоваться взаимодействием между электроном и ядром урана, поскольку заряд ядра урана равен 92 e. Да, в этом случае взаимодействие оказывается весьма сильным! Но в этом случае проявляется лишь часть эффектов, описанных мною для сильных взаимодействий, поскольку изменение заряда только одного из взаимодействующих объектов (в частности, тяжёлого) не увеличивает вероятность обнаружения виртуальных электрон-позитронных пар. Это изменится, только если заряд самого электрона станет гораздо больше, чем e! Так что даже атом урана остаётся значительно проще протона.
Насколько сильны другие известные взаимодействия природы? Мы увидели, что у электрических взаимодействий сила равна α – по крайней мере, на микроскопическом, атомном и субатомном уровне. И на таких расстояниях, вплоть до миллионной миллионных долей метра, α постоянна. Она не зависит от r, и в частности поэтому является такой удобной мерой. Но на самом деле сила взаимодействия может меняться с расстоянием, что всё усложняет. Для электромагнетизма это не так важно, этот эффект очень мал. Но для других сил это важно.
Но и для ещё меньших расстояний
Обратите внимание, что оно в несколько раз больше, чем электромагнитная сила! Слабое взаимодействие по своей сути вовсе не слабое – см. рис. 2. Предупреждение: я не включаю сюда тонкости, связанные со взаимодействием слабого и электромагнитного взаимодействий на таких малых расстояниях, а также с очень медленным изменением силы, которое становится заметным на куда как меньших дистанциях.
Слабое взаимодействие выглядит таким слабым, при наблюдении его на примере физики ядер, атомов и повседневной жизни, огромная масса частицы W. Если бы частица W не имела массы, то воздействие «слабого» ядерного взаимодействия было бы сильнее, чем у электрического! Это ещё один контекст, в котором поле Хиггса, придающее частице W её массу, играют важную роль в наших жизнях!
Учитывая силу сильного ядерного взаимодействия, почему же мы не сталкиваемся с ним в повседневной жизни? Это связано с тонкостями того, каким образом оно так плотно упаковывает кварки, глюоны и антикварки в протоны и нейтроны, что мы никогда не наблюдаем их отдельно. Всё это сильно отличается от того, как слабое электромагнитное взаимодействие позволяет электронам легко убегать из атомов, допуская такие явления, как статическое электричество (куда входят и молнии) и электрический ток (в том числе и по проводам).
Сила гравитации
Что насчёт гравитации? Для известных нам частиц гравитация удивительно слаба. Для двух неподвижных частиц массы m гравитация будет иметь величину
Где GN — гравитационная константа Ньютона. Сравните это с электрической силой, у которой α = ke 2 / ℏ c. Роли k и e электрических сил здесь играют GN и m. Отмечу, что я использую формулу Ньютона для гравитации, но пока αгравитация мало по сравнению с 1, эйнштейновская формула притяжения двух объектов будет по сути той же.
Это единица, перед которой стоит 37 нулей и десятичный разделитель! А для двух электронов
Что, поскольку масса электрона примерно в 2000 раз меньше массы протона, в 4 миллиона раз слабее. Даже для пары верхних кварков, которые почти в 200 раз тяжелее протона, и масса которых наибольшая среди масс всех известных частиц, сила гравитации будет равной
Это примерно в 100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 раз меньше электрического взаимодействия двух верхних кварков. Поэтому на рис. 2 гравитация не отображена.
Если подумать, эта удивительная слабость гравитации объясняет, почему вы (используя электрические силы, питающие ваши мускулы и удерживающие ваше тело) можете так свободно двигаться, несмотря на то, что вас притягивает целая огромная Земля. Это даже объясняет, как Земля может во столько раз превышать по размерам атом; гравитация хочет сжать Землю, но целостность атомов, чьи электрические силы сопротивляются сжатию, этому мешает. Если бы гравитационные силы были гораздо сильнее, или электрические – слабее, гравитация сжала бы Землю до гораздо меньшего размера и гораздо большей плотности.
Гравитация настолько слаба, что удивительно, что мы её вообще открыли. Почему же она стала первой известной людям силой? Потому, что это единственная сила, выживающая на очень дальних расстояниях в обычной материи.
Взаимодействие Хиггса?
Поле Хиггса порождает взаимодействие сходное со слабым ядерным взаимодействием в том, что у него очень малая дистанция воздействия, и что оно становится неэффективным на расстояниях, больших по сравнению с ℏ c / Mh
> 2 \times 10^ <-18>м) \\ α_ <Хиггс>= (mc^2 /4 \pi v)^2 \; (для \; r
Где v = 246 ГэВ, это постоянное значение поля Хиггса, существующее во всей Вселенной. (На самом деле, строго говоря в формуле есть ещё один квадратный корень из 2, но давайте упростим для улучшения понимания).
Но будьте осторожны! Схожесть с гравитацией может сбить с толку. Эта формула точно работает для известных элементарных частиц – объектов, получающих свою массу от поля Хиггса. Она работает для электронов, мюонов и кварков. Она не работает для протонов, нейтронов, атомов или вас! Оттого, что масса протона (и нейтрона, а следовательно, и атома, а следовательно, и ваша) не полностью порождается полем Хиггса. Это отличается от формулы для гравитации, которая верна для всех медленных объектов! Вместо этого в случае обычной атомной материи нам нужно было бы заменить формулу похожей, но имеющей спереди другой множитель, свой для каждого атома. Но качественно зависимость от расстояния осталась бы схожей.
Кроме того, написанная мною формула предполагает существование только одного поля Хиггса и одной частицы Хиггса (что пока ещё не доказано, но является простейшей возможностью, соответствующей полученным данным). Если это не так, формула усложнится, хотя и сохранит схожую форму.
Рис. 2
Так что, хотя каждый атом Земли взаимодействует через Хиггса с каждым другим атомом Земли, эта сила настолько крохотна, даже для соседних атомов, а особенно – для далеко отстоящих, что её эффекта обнаружить невозможно. Поэтому нам пришлось напрямую найти частицу Хиггса, чтобы подтвердить существование поля Хиггса; мы не могли искать создаваемую им силу так, как мы можем наблюдать электрические или магнитные силы и подтверждать таким способом существование электрических и магнитных полей.
Когда же мы сможем наблюдать действие этой силы? Её воздействие будет впервые обнаружено либо при рассеянии частиц W и Z друг с другом (что рано или поздно будет проделано, не напрямую, в столкновениях протонов в Большом адронном коллайдере) или во взаимодействиях верхнего кварка и верхнего антикварка (что можно наблюдать на электрон-позитронном коллайдере – кстати, свою первую работу по физике частиц я написал именно об этом явлении).