Фундаментальное взаимодействие

В физике фундаментальные взаимодействия или фундаментальные силы — это взаимодействия, которые невозможно свести к более фундаментальным взаимодействиям. Известно, что существуют четыре фундаментальных взаимодействия:

• гравитация
• электромагнетизм
• слабое взаимодействие
• сильное взаимодействие

Гравитационное и электромагнитное взаимодействие порождает силы дальнего действия, последствия которых можно непосредственно наблюдать в повседневной жизни. Сильное и слабое взаимодействия создают силы на крошечных субатомных расстояниях и управляют ядерными взаимодействиями внутри атомов .

Некоторые ученые предполагают, что пятая сила может существовать, но эти гипотезы остаются спекулятивными. Однако возможно, что пятая сила представляет собой комбинацию предыдущих четырех сил в форме скалярного поля; например, поле Хиггса .

Каждое из известных фундаментальных взаимодействий можно математически описать как поле . Гравитационная сила объясняется искривлением пространства-времени , описанным Эйнштейна общей теорией относительности . Остальные три являются дискретными квантовыми полями , и их взаимодействия опосредуются элементарными частицами, описываемыми Стандартной моделью физики элементарных частиц .

В рамках Стандартной модели сильное взаимодействие осуществляется частицей, называемой глюоном , и отвечает за связывание кварков вместе с образованием адронов , таких как протоны и нейтроны . В качестве остаточного эффекта он создает ядерную силу , которая связывает последние частицы с образованием атомных ядер . Слабое взаимодействие переносится частицами, называемыми W- и Z-бозонами , а также действует на ядра атомов , опосредуя радиоактивный распад . Электромагнитная сила, переносимая фотоном , создает электрические и магнитные поля , которые отвечают за притяжение между орбитальными электронами и атомными ядрами, удерживающее атомы вместе, а также за химическую связь и электромагнитные волны , включая видимый свет , и составляют основу для электротехника. Хотя электромагнитная сила намного сильнее гравитации, она имеет тенденцию нейтрализовать себя внутри крупных объектов, поэтому на больших (астрономических) расстояниях гравитация имеет тенденцию быть доминирующей силой и отвечает за удержание воедино крупномасштабных структур во Вселенной, таких как как планеты, звезды и галактики.

Многие физики-теоретики полагают, что эти фундаментальные силы связаны и объединяются в единую силу при очень высоких энергиях в крошечном масштабе, масштабе Планка . но ускорители частиц не могут производить огромную энергию, необходимую для экспериментального исследования этого явления. Разработка общей теоретической основы, которая объяснила бы связь между силами в единой теории, является, пожалуй, величайшей целью сегодняшних физиков-теоретиков . Слабые и электромагнитные взаимодействия уже были объединены с электрослабой теорией Шелдона Глэшоу , Абдуса Салама и Стивена Вайнберга , за что они получили Нобелевскую премию по физике 1979 года. Некоторые физики стремятся объединить электрослабые и сильные поля в рамках так называемой Теории Великого Объединения (ВТО). Еще более сложной задачей является найти способ квантования гравитационного поля, что приведет к созданию теории квантовой гравитации (КГ), которая объединила бы гравитацию в общей теоретической структуре с тремя другими силами. Некоторые теории, особенно теория струн , ищут и КГ, и Великое Объединение в одной структуре, объединяя все четыре фундаментальных взаимодействия вместе с генерацией массы в рамках теории всего (ToE).

История

Классическая теория

В своей теории 1687 года Исаак Ньютон постулировал пространство как бесконечную и неизменную физическую структуру, существующую до, внутри и вокруг всех объектов, в то время как их состояния и отношения разворачиваются повсюду с постоянной скоростью, таким образом, пространство и время являются абсолютными . Сделав вывод, что все объекты, несущие массу, приближаются с постоянной скоростью, но сталкиваются в результате удара, пропорционального их массам, Ньютон пришел к выводу, что материя обладает силой притяжения. Его закон всемирного тяготения предполагал мгновенное взаимодействие всех объектов. В общепринятой интерпретации теория движения Ньютона моделировала центральную силу без сообщающейся среды. Таким образом, теория Ньютона нарушила традицию, восходящую к Декарту , согласно которой не должно быть никаких действий на расстоянии . И наоборот, в 1820-х годах, объясняя магнетизм, Майкл Фарадей предположил, что поле заполняет пространство и передает эту силу. Фарадей предположил, что в конечном итоге все силы объединяются в одну.

В 1873 году Джеймс Клерк Максвелл объединил электричество и магнетизм как эффекты электромагнитного поля, третьим следствием которого был свет, движущийся с постоянной скоростью в вакууме. Если бы его теория электромагнитного поля сохранялась во всех инерциальных системах отсчета , это противоречило бы теории движения Ньютона, которая опиралась на теорию относительности Галилея . Если вместо этого его теория поля применима только к системам отсчета, покоящимся относительно механического светоносного эфира, который, как предполагается, заполняет все пространство, будь то внутри материи или в вакууме, и проявляет электромагнитное поле, тогда ее можно было бы согласовать с теорией относительности Галилея и законами Ньютона. . (Однако позже такой «эфир Максвелла» был опровергнут; законы Ньютона действительно пришлось заменить.)

Стандартная модель

Основная статья: Стандартная модель

См. Также: Стандартная модель (математическая формулировка).

Стандартная модель элементарных частиц с фермионами в первых трех столбцах, калибровочными бозонами в четвертом столбце и бозоном Хиггса в пятом столбце.

Стандартная модель физики элементарных частиц разрабатывалась во второй половине 20 века. В Стандартной модели электромагнитные, сильные и слабые взаимодействия связаны с элементарными частицами , поведение которых моделируется в квантовой механике (КМ). КМ Для успешного прогнозирования вероятностных результатов физика элементарных частиц традиционно моделирует события КМ в поле, установленном на специальной теории относительности , полностью релятивистской квантовой теории поля (КТП). Силовые частицы, называемые калибровочными бозонами — носителями силы или частицами-переносчиками основных полей — взаимодействуют с частицами материи, называемыми фермионами . Повседневная материя — это атомы, состоящие из трех типов фермионов: верхних и нижних кварков, составляющих, а также электронов, вращающихся вокруг ядра атома. Атомы взаимодействуют, образуют молекулы и проявляют дополнительные свойства посредством электромагнитных взаимодействий между их электронами, поглощающими и излучающими фотоны, носители силы электромагнитного поля, которые, если беспрепятственно преодолевать потенциально бесконечное расстояние. QFT электромагнетизма — это квантовая электродинамика (QED).

Носителями силы слабого взаимодействия являются массивные W- и Z-бозоны . Электрослабая теория (EWT) охватывает как электромагнетизм, так и слабое взаимодействие. При высоких температурах вскоре после Большого взрыва слабое взаимодействие, электромагнитное взаимодействие и бозон Хиггса изначально были смешанными компонентами другого набора древних полей, нарушающих предсимметрию. По мере охлаждения ранней Вселенной эти поля разделились на дальнодействующее электромагнитное взаимодействие, короткодействующее слабое взаимодействие и бозон Хиггса. В механизме Хиггса поле Хиггса проявляет бозоны Хиггса, которые взаимодействуют с некоторыми квантовыми частицами таким образом, что наделяют эти частицы массой. Сильное взаимодействие, носителем силы которого является глюон , преодолевающий мизерное расстояние между кварками, моделируется в квантовой хромодинамике (КХД). EWT, QCD и механизм Хиггса составляют элементарных частиц физики Стандартную модель (SM). Прогнозы обычно делаются с использованием методов вычислительной аппроксимации, хотя такая теория возмущений недостаточно для моделирования некоторых экспериментальных наблюдений (например, связанных состояний и солитонов ). Тем не менее, физики широко признают Стандартную модель как наиболее экспериментально подтвержденную теорию науки.

Помимо Стандартной модели , некоторые теоретики работают над объединением электрослабых и сильных взаимодействий в рамках Теории Великого Объединения. (ГУТ). Некоторые попытки GUT выдвигают гипотезу о «теневых» частицах, например, что каждая известная частица материи связана с неоткрытой частицей силы , и наоборот, в целом суперсимметрия (SUSY). Другие теоретики стремятся квантовать гравитационное поле путем моделирования поведения его гипотетического носителя силы, гравитона , и достичь квантовой гравитации (КГ). Одним из подходов к КГ является петлевая квантовая гравитация (ПКГ). Третьи теоретики ищут и QG, и GUT в рамках одной структуры, сводя все четыре фундаментальных взаимодействия к Теории Всего (ToE). Наиболее распространенной целью ToE является теория струн , хотя для моделирования частиц материи была добавлена ​​SUSY к частицам силы – и так, строго говоря, стала теория суперструн . Множественные, казалось бы, несопоставимые теории суперструн были объединены в одну основу — М-теорию . Теории, выходящие за рамки Стандартной модели, остаются весьма спекулятивными и не имеют серьезной экспериментальной поддержки.

фундаментальных

Обзор различных семейств элементарных и составных частиц и теорий, описывающих их взаимодействия. Фермионы слева, бозоны справа.

В концептуальной модели фундаментальных взаимодействий материя состоит из фермионов , обладающих свойствами, называемыми зарядами и спинами ± 1 ⁄ 2 (собственный угловой момент ± ħ ⁄ 2 , где ħ — приведенная постоянная Планка ). Они притягивают или отталкивают друг друга, обмениваясь бозонами .

Тогда взаимодействие любой пары фермионов в теории возмущений можно смоделировать следующим образом:

Два фермиона входят → взаимодействие путем обмена бозонами → два измененных фермиона выходят.

Обмен бозонами всегда переносит энергию и импульс между фермионами, тем самым меняя их скорость и направление. Обмен может также переносить заряд между фермионами, изменяя при этом заряды фермионов (например, превращая их из одного типа фермионов в другой). Поскольку бозоны несут одну единицу углового момента, направление вращения фермиона изменится с + 1 ⁄ 2 до — 1 ⁄ 2 (или наоборот) при таком обмене (в единицах приведенной постоянной Планка ). Поскольку такие взаимодействия приводят к изменению импульса, они могут привести к возникновению классических сил Ньютона . В квантовой механике физики часто используют термины «сила» и «взаимодействие» как синонимы; например, слабое взаимодействие иногда называют «слабой силой».

Согласно нынешнему пониманию, существует четыре фундаментальных взаимодействия или силы: гравитация , электромагнетизм, слабое взаимодействие и сильное взаимодействие. Их величина и поведение сильно различаются, как описано в таблице ниже. Современная физика пытается объяснить каждое наблюдаемое физическое явление этими фундаментальными взаимодействиями. Более того, сокращение количества различных типов взаимодействия видится желательным. Речь идет о двух случаях: унификации :

• Электрическая и магнитная сила в электромагнетизм;
• Электромагнитное взаимодействие и слабое взаимодействие в электрослабое взаимодействие; см. ниже.

Как величина («относительная сила»), так и «диапазон» соответствующего потенциала, как указано в таблице, имеют смысл только в довольно сложной теоретической системе. В таблице ниже перечислены свойства концептуальной схемы, которая остается предметом текущих исследований.

Взаимодействие	Текущая теория	Медиаторы	Относительная сила	Поведение на расстоянии (потенциально)	Дальность (м)
Слабый	Электрослабая теория (EWT)	W и Z-бозоны	10 33	${\frac {1}{r}}\ e^{-m_{\rm {W,Z}}\ r}$	10 −18
Сильный	Квантовая хромодинамика (КХД)	глюоны	10 38	${\sim r}$ ( Ограничение цвета , см. обсуждение ниже )	10 −15
Гравитация	Общая теория относительности (ГР)	гравитоны (гипотетические)	1	${\frac {1}{r^{2}}}$	∞
Электромагнитный	Квантовая электродинамика (ЯВЛЯЕТСЯ)	фотоны	10 36	${\frac {1}{r^{2}}}$	∞

Современный (пертурбативный) квантово-механический взгляд на фундаментальные силы, отличные от гравитации, заключается в том, что частицы материи ( фермионы ) не взаимодействуют напрямую друг с другом, а скорее переносят заряд и обмениваются виртуальными частицами ( калибровочными бозонами ), которые представляют собой взаимодействие перевозчики или силовые посредники. Например, фотоны опосредуют взаимодействие электрических зарядов , а глюоны опосредуют взаимодействие цветных зарядов . Полная теория включает в себя возмущения, выходящие за рамки простого обмена бозонами фермионов; эти дополнительные возмущения могут включать бозоны, которые обмениваются фермионами, а также создание или разрушение частиц: см. в диаграммах Фейнмана примеры .

Взаимодействие

Гравитация

Основная статья: Гравитация

Гравитация — самое слабое из четырех взаимодействий на атомном уровне, где доминируют электромагнитные взаимодействия.

Гравитация является наиболее важной из четырех фундаментальных сил для астрономических объектов на астрономических расстояниях по двум причинам. Во-первых, гравитация имеет бесконечный эффективный диапазон, как и электромагнетизм, но в отличие от сильного и слабого взаимодействий. Во-вторых, гравитация всегда притягивает и никогда не отталкивает; Напротив, астрономические тела имеют тенденцию к почти нейтральному суммарному электрическому заряду, так что притяжение к одному типу заряда и отталкивание от противоположного заряда в основном компенсируют друг друга.

Несмотря на то, что электромагнетизм намного сильнее гравитации, электростатическое притяжение не имеет значения для больших небесных тел, таких как планеты, звезды и галактики, просто потому, что такие тела содержат равное количество протонов и электронов и поэтому имеют нулевой суммарный электрический заряд. Ничто не «отменяет» гравитацию, поскольку она только притягивает, в отличие от электрических сил, которые могут быть как притягивающими, так и отталкивающими. С другой стороны, все объекты, имеющие массу, подвержены силе гравитации, которая только притягивает. Следовательно, только гравитация имеет значение для крупномасштабной структуры Вселенной.

Большой радиус действия гравитации делает ее ответственной за такие крупномасштабные явления, как структура галактик и черных дыр , и, будучи только притягивающей, она замедляет расширение Вселенной . Гравитация также объясняет астрономические явления в более скромных масштабах, такие как планет орбиты , а также повседневный опыт: падение объектов; тяжелые предметы действуют так, как будто они приклеены к земле, а животные могут прыгать только на такую ​​высоту.

Гравитация была первым взаимодействием, описанным математически. В древности Аристотель выдвинул гипотезу, что предметы разной массы падают с разной скоростью. Во время научной революции экспериментально определил, что эта гипотеза неверна при определенных обстоятельствах — пренебрегая трением, вызванным сопротивлением воздуха и силами плавучести , Галилео Галилей если присутствует атмосфера (например, случай сброшенного воздушного шара, наполненного воздухом, по сравнению с воздушным шаром, наполненным водой). ), все объекты ускоряются по направлению к Земле с одинаковой скоростью. Исаака Ньютона Закон всемирного тяготения (1687 г.) был хорошим приближением поведения гравитации. Современное понимание гравитации проистекает из Общей теории относительности Эйнштейна 1915 года, более точного (особенно для космологических масс и расстояний) описания гравитации с точки зрения геометрии пространства -времени .

Объединение общей теории относительности и квантовой механики (или квантовой теории поля ) в более общую теорию квантовой гравитации является областью активных исследований. Предполагается, что гравитация осуществляется безмассовой частицей со спином 2, называемой гравитоном .

Хотя общая теория относительности была экспериментально подтверждена (по крайней мере, для слабых полей, т.е. не для черных дыр) во всех масштабах, кроме самых маленьких, существуют альтернативы общей теории относительности . Эти теории должны в некотором пределе сводиться к общей теории относительности, и основная задача наблюдательной работы — установить пределы возможных отклонений от общей теории относительности.

Предлагаемые дополнительные измерения могут объяснить, почему сила гравитации настолько слаба.

Электрослабое взаимодействие

Основная статья: Электрослабое взаимодействие

Электромагнетизм и слабое взаимодействие, по-видимому, сильно различаются при повседневных низких энергиях. Их можно смоделировать с использованием двух разных теорий. Однако при энергии объединения, порядка 100 ГэВ , они сольются в одно электрослабое взаимодействие.

Электрослабая теория очень важна для современной космологии , особенно для изучения того, как развивалась Вселенная . Это связано с тем, что вскоре после Большого взрыва, когда температура еще была выше примерно 10°С. ¹⁵  K , электромагнитная сила и слабое взаимодействие все еще были объединены в единую электрослабую силу.

За вклад в объединение слабого и электромагнитного взаимодействия между элементарными частицами Абдус Салам, Шелдон Глэшоу и Стивен Вайнберг были удостоены Нобелевской премии по физике в 1979 году.

Электромагнетизм

Основная статья: Электромагнетизм

Электромагнетизм – это сила, действующая между электрически заряженными частицами. Это явление включает в себя электростатическую силу, действующую между покоящимися заряженными частицами, и совокупный эффект электрических и магнитных сил, действующих между заряженными частицами, движущимися относительно друг друга.

Электромагнетизм имеет бесконечный диапазон, как и гравитация, но значительно сильнее ее и, следовательно, описывает несколько макроскопических явлений повседневного опыта, таких как трение , радуга , молния и все созданные человеком устройства, использующие электрический ток , такие как телевидение, лазеры и компьютеры. . Электромагнетизм фундаментально определяет все макроскопические и многие свойства химических элементов на атомном уровне , включая все химические связи .

В четырехкилограммовом (~1 галлоне) кувшине с водой содержится

$4000\ {\mbox{g}}\,{\rm {{H}_{2}{\rm {{O}\cdot {\frac {1\ {\mbox{mol}}\,{\rm {{H}_{2}{\rm {O}}}}}{18\ {\mbox{g}}\,H_{2}O}}\cdot {\frac {10\ {\mbox{mol}}\,e^{-}}{1\ {\mbox{mol}}\,H_{2}O}}\cdot {\frac {96,000\ {\mbox{C}}\,}{1\ {\mbox{mol}}\,e^{-}}}=2.1\times 10^{8}C\ \,\ }}}}$

полного заряда электрона. Таким образом, если поставить два таких кувшина на расстоянии метра друг от друга, то электроны в одном из кувшинов отталкивают электроны в другом кувшине с силой

${1 \over 4\pi \varepsilon _{0}}{\frac {(2.1\times 10^{8}\mathrm {C} )^{2}}{(1m)^{2}}}=4.1\times 10^{26}\mathrm {N} .$

Эта сила во много раз превышает вес планеты Земля. Ядра атомов в одном кувшине отталкивают ядра другого с той же силой. Однако эти силы отталкивания компенсируются притяжением электронов в кувшине A к ядрам в кувшине B и притяжением ядер в кувшине A к электронам в кувшине B, в результате чего результирующая сила отсутствует. Электромагнитные силы значительно сильнее гравитации, но они уравновешиваются, так что для больших тел гравитация доминирует.

Электрические и магнитные явления наблюдались с древних времен, но только в XIX веке Джеймс Клерк Максвелл обнаружил, что электричество и магнетизм — это два аспекта одного и того же фундаментального взаимодействия. К 1864 году уравнения Максвелла дали строгое количественное определение этого единого взаимодействия. Теория Максвелла, переформулированная с использованием векторного исчисления , представляет собой классическую теорию электромагнетизма, пригодную для большинства технологических целей.

Постоянная скорость света в вакууме (обычно обозначаемая строчной буквой c ) может быть получена из уравнений Максвелла, которые согласуются со специальной теорией относительности. Альберта Эйнштейна 1905 года Однако специальная теория относительности , которая следует из наблюдения о том, что скорость света постоянна независимо от того, как быстро движется наблюдатель, показала, что теоретический результат, подразумеваемый уравнениями Максвелла, имеет глубокие последствия, выходящие далеко за пределы электромагнетизма в теории относительности. сама природа времени и пространства.

В другой работе, отошедшей от классического электромагнетизма, Эйнштейн также объяснил фотоэлектрический эффект , используя открытие Макса Планка о том, что свет передается «квантами» с определенным энергетическим содержанием, основанным на частоте, которые мы теперь называем фотонами . Примерно с 1927 года Поль Дирак объединил квантовую механику с релятивистской теорией электромагнетизма . Дальнейшие работы в 1940-х годах Ричарда Фейнмана , Фримена Дайсона , Джулиана Швингера и Син-Итиро Томонаги завершили эту теорию, которая теперь называется квантовой электродинамикой , пересмотренной теорией электромагнетизма. Квантовая электродинамика и квантовая механика обеспечивают теоретическую основу для электромагнитного поведения, такого как квантовое туннелирование , при котором определенный процент электрически заряженных частиц движется способами, которые были бы невозможны в соответствии с классической электромагнитной теорией, что необходимо для повседневных электронных устройств, таких как транзисторы , для функция.

Слабое взаимодействие

Основная статья: Слабое взаимодействие

Слабое взаимодействие или слабое ядерное взаимодействие ответственно за некоторые ядерные явления, такие как бета-распад . Электромагнетизм и слабое взаимодействие теперь понимаются как два аспекта единого электрослабого взаимодействия — это открытие стало первым шагом на пути к единой теории, известной как Стандартная модель . В теории электрослабого взаимодействия носителями слабого взаимодействия являются массивные калибровочные бозоны, называемые W- и Z-бозонами . Слабое взаимодействие — единственное известное взаимодействие, не сохраняющее четность ; он асимметричен слева и справа. Слабое взаимодействие даже нарушает CP-симметрию , но сохраняет CPT .

Сильное взаимодействие

Основная статья: Сильное взаимодействие

Сильное взаимодействие , или сильное ядерное взаимодействие , является наиболее сложным взаимодействием, главным образом из-за того, как оно меняется с расстоянием. Ядерные силы обладают сильным притяжением между нуклонами на расстояниях около 1 фемтометра (фм, или 10 ⁻¹⁵ метров), но оно быстро уменьшается до незначительного на расстояниях более 2,5 фм. На расстояниях менее 0,7 фм ядерная сила становится отталкивающей. Этот отталкивающий компонент отвечает за физический размер ядер, поскольку нуклоны не могут подойти ближе, чем позволяет сила.

После открытия ядра в 1908 году стало ясно, что для преодоления электростатического отталкивания положительно заряженных протонов необходима новая сила, сегодня известная как ядерная сила. В противном случае ядро ​​не могло бы существовать. Причем сила должна была быть достаточно сильной, чтобы сжать протоны в объем, диаметр которого составляет около 10 ⁻¹⁵ m , что намного меньше, чем у всего атома. На основании короткого действия этой силы Хидеки Юкава предсказал, что она связана с массивной силовой частицей, масса которой составляет примерно 100 МэВ.

Открытие пиона в 1947 году положило начало современной эре физики элементарных частиц. С 1940-х по 1960-е годы были открыты сотни адронов и была разработана чрезвычайно сложная теория адронов как сильно взаимодействующих частиц. В частности:

• Под пионами понимались колебания вакуумных конденсатов ;
• Джун Джон Сакурай ро и омега предположил, что векторные бозоны являются частицами, несущими силу, для приблизительной симметрии изоспина и гиперзаряда ;
• Джеффри Чу , Эдвард К. Бердетт и Стивен Фраучи сгруппировали более тяжелые адроны в семейства, которые можно понимать как колебательные и вращательные возбуждения струн .

Хотя каждый из этих подходов предлагал новые идеи, ни один из подходов не привел непосредственно к фундаментальной теории.

Мюррей Гелл-Манн вместе с Джорджем Цвейгом впервые предложили дробно заряженные кварки в 1961 году. На протяжении 1960-х годов разные авторы рассматривали теории, подобные современной фундаментальной теории квантовой хромодинамики (КХД), как простые модели взаимодействия кварков. Первыми, кто выдвинул гипотезу о глюонах КХД, были Му-Ён Хан и Ёитиро Намбу , которые ввели цветовой заряд кварков . Хан и Намбу предположили, что это может быть связано с силовым полем. Однако в то время было трудно понять, как такая модель может навсегда удерживать кварки. Хан и Намбу также приписали каждому цвету кварка целочисленный электрический заряд, так что кварки в среднем имели дробный заряд, и они не ожидали, что кварки в их модели будут постоянно удерживаться.

В 1971 году Мюррей Гелл-Манн и Харальд Фрич предположили, что цветовое калибровочное поле Хана/Намбу является правильной теорией взаимодействий дробно заряженных кварков на малых расстояниях. Чуть позже Дэвид Гросс , Фрэнк Вильчек и Дэвид Политцер обнаружили, что эта теория обладает свойством асимптотической свободы , позволяющим им вступать в контакт с экспериментальными данными . Они пришли к выводу, что КХД представляет собой полную теорию сильных взаимодействий, правильную на всех масштабах расстояний. Открытие асимптотической свободы побудило большинство физиков принять КХД, поскольку стало ясно, что даже свойства сильных взаимодействий на больших расстояниях могут согласовываться с экспериментом, если кварки постоянно удерживаются : сильное взаимодействие неограниченно увеличивается с расстоянием, захватывая кварки внутри адроны.

Предполагая, что кварки удерживаются, Михаил Шифман , Аркадий Вайнштейн и Валентин Захаров смогли вычислить свойства многих низколежащих адронов непосредственно из КХД, имея лишь несколько дополнительных параметров для описания вакуума. В 1980 году Кеннет Г. Уилсон опубликовал компьютерные расчеты, основанные на первых принципах КХД, установив с степенью уверенности, равносильной уверенности, что КХД будет удерживать кварки. С тех пор КХД стала признанной теорией сильных взаимодействий.

КХД — это теория дробно заряженных кварков, взаимодействующих посредством 8 бозонных частиц, называемых глюонами. Глюоны также взаимодействуют друг с другом, а не только с кварками, и на больших расстояниях силовые линии сливаются в струны, слабо моделируемые линейным потенциалом — постоянной силой притяжения. Таким образом, математическая теория КХД объясняет не только то, как кварки взаимодействуют на коротких расстояниях, но и струнное поведение, открытое Чу и Фраучи, которое они проявляют на больших расстояниях.

Хиггсовское взаимодействие

Традиционно взаимодействие Хиггса не причисляют к четырем фундаментальным силам.

Тем не менее, хотя не является калибровочным и не порождается какой-либо симметрией диффеоморфизма , поля Хиггса кубическое взаимодействие Юкавы оно создает слабо притягивающее пятое взаимодействие. После спонтанного нарушения симметрии по механизму Хиггса члены Юкавы сохраняют вид

${\frac {\lambda _{i}}{\sqrt {2}}}{\bar {\psi }}\phi '\psi ={\frac {m_{i}}{\nu }}{\bar {\psi }}\phi '\psi$,

с муфтой Юкава $\lambda _{i}$, масса частицы $m_{i}$ (в эВ ), а среднее значение вакуума Хиггса 246,22 ГэВ . Следовательно, связанные частицы могут обмениваться виртуальным бозоном Хиггса, давая классические потенциалы вида

$V(r)=-{\frac {m_{i}m_{j}}{m_{\rm {H}}^{2}}}{\frac {1}{4\pi r}}e^{-m_{\rm {H}}\,c\,r/\hbar }$,

с массой Хиггса 125,18 ГэВ . Поскольку приведенная комптоновская длина волны бозона Хиггса настолько мала ( 1,576 × 10 ⁻¹⁸ м , сравнимый с W- и Z-бозонами ), этот потенциал имеет эффективный радиус действия в несколько аттометров . Между двумя электронами начинается примерно 10 ¹¹ раз слабее, чем слабое взаимодействие , и экспоненциально ослабевает на ненулевых расстояниях.

За пределами стандартной модели

Основная статья: Физика за пределами Стандартной модели

См. Также: Элементарные частицы § За пределами Стандартной модели.

Многочисленные теоретические попытки были предприняты для систематизации существующих четырех фундаментальных взаимодействий на основе модели электрослабого объединения.

Теории Великого Объединения (GUT) — это предложения, призванные показать, что три фундаментальных взаимодействия, описываемых Стандартной моделью, являются различными проявлениями одного взаимодействия с симметриями , которые разрушаются и создают отдельные взаимодействия ниже некоторого чрезвычайно высокого уровня энергии. Также ожидается, что GUT предскажет некоторые взаимосвязи между природными константами, которые Стандартная модель считает несвязанными, а также предскажет унификацию калибровочных связей для относительных сил электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий (это, например, было проверено на Большом электрон-позитронном коллайдере в 1991 г. по суперсимметричным теориям).

Теории всего, которые объединяют теорию великого объединения с теорией квантовой гравитации, сталкиваются с большим барьером, потому что ни одна из теорий квантовой гравитации, в том числе теория струн , петлевая квантовая гравитация и теория твисторов , не получила широкого признания. Некоторые теории ищут гравитон для завершения списка частиц, переносящих силу в Стандартной модели, в то время как другие, такие как петлевая квантовая гравитация, подчеркивают возможность того, что само время-пространство может иметь квантовый аспект.

Некоторые теории, выходящие за рамки Стандартной модели, включают гипотетическую пятую силу , и поиск такой силы является постоянным направлением исследований экспериментальной физики. В суперсимметричных теориях некоторые частицы приобретают массу только за счет эффектов нарушения суперсимметрии, и эти частицы, известные как модули , могут передавать новые силы. Еще одной причиной поиска новых сил является открытие того, что расширение Вселенной ускоряется (также известное как темная энергия ), что порождает необходимость объяснения ненулевой космологической постоянной и, возможно, других модификаций общей теории относительности . Пятые силы также были предложены для объяснения таких явлений, как CP- нарушения, темная материя и темный поток .

См. также

• Квинтэссенция , предполагаемая пятая сила.
• Герардус 'т Хоофт
• Эдвард Виттен
• Говард Джорджи

Библиография

• Дэвис, Пол (1986), Силы природы , Кембриджский университет. Пресс 2-е изд.
• Фейнман, Ричард (1967), Характер физического закона , MIT Press, ISBN  978-0-262-56003-0
• Шумм, Брюс А. (2004), Deep Down Things , издательство Университета Джонса Хопкинса. Хотя обсуждаются все взаимодействия, особенно подробно обсуждаются слабые стороны.
• Вайнберг, Стивен (1993), Первые три минуты: современный взгляд на происхождение Вселенной , Basic Books, ISBN  978-0-465-02437-7
• Вайнберг, Стивен (1994), Мечты об окончательной теории , Basic Books, ISBN  978-0-679-74408-5
• Падманабхан, Т. (1998), После первых трех минут: история нашей Вселенной , Кембриджский университет. Пресса, ISBN  978-0-521-62972-0
• Перкинс, Дональд Х. (2000), Введение в физику высоких энергий (4-е изд.), Cambridge Univ. Пресса, ISBN  978-0-521-62196-0
• Риазуддин (29 декабря 2009 г.). «Нестандартные взаимодействия» (PDF) . Пятый доклад NCP по физике элементарных частиц . 1 (1): 1–25. Архивировано из оригинала (PDF) 3 марта 2016 года . Проверено 19 марта 2011 г.