Реферат: Фундаментальные взаимодействия

--PAGE_BREAK--Понятие о квантовой гравитации
Можно ли вообще говорить о квантовых проявлениях гравитационного взаимодействия? Как принято считать, принципы квантовой механики носят универсальный характер и применимы к любому физическому объекту. В этом смысле гравитационное поле не представляет исключения. Теоретические исследования показывают, что на квантовом уровне гравитационное взаимодействие переносится элементарной частицей, называемой гравитон. Можно отметить, что гравитон является безмассовым бозоном со спином 2. Гравитационное взаимодействие между частицами, обусловленное обменом гравитоном, условно изображается следующим образом:

<img width=«311» height=«113» src=«ref-2_589511945-2925.coolpic» alt=«Частица, испускающая гравитон — частица, поглощающая гравитон» v:shapes=«Рисунок_x0020_2»>

Частица испускает гравитон, в силу чего состояние ее движения изменяется. Другая частица поглощает гравитон и также изменяет состояние своего движения. В результате возникает воздействие частиц друг на друга.

Как уже отмечалось, константой связи, характеризующей гравитационное взаимодействие, является ньютоновская константа G. Хорошо известно, что G — размерная величина. Очевидно, что для оценки интенсивности взаимодействия удобно иметь безразмерную константу связи. Чтобы получить такую константу, можно использовать фундаментальные постоянные: <img width=«10» height=«15» src=«ref-2_589514870-176.coolpic» alt="$\hbar$" v:shapes=«Рисунок_x0020_3»> (постоянная Планка) и c (скорость света) — и ввести какую-нибудь эталонную массу, например массу протона mp. Тогда безразмерная константа связи гравитационного взаимодействия будет

Gmp2/(<img width=«10» height=«15» src=«ref-2_589514870-176.coolpic» alt="$\hbar$" v:shapes=«Рисунок_x0020_4»>c) ~ 6<img width=«10» height=«10» src=«ref-2_589515222-224.coolpic» alt="*" v:shapes=«Рисунок_x0020_5»>10-39,

что, конечно, является очень малой величиной.

Интересно отметить, что из фундаментальных постоянных G, <img width=«10» height=«15» src=«ref-2_589514870-176.coolpic» alt="$\hbar$" v:shapes=«Рисунок_x0020_6»>, c можно построить величины, имеющие размерность длины, времени, плотности, массы, энергии. Эти величины называются планковскими. В частности, планковская длина lPl и планковское время tPl выглядят следующим образом:

<img width=«176» height=«48» src=«ref-2_589515622-547.coolpic» alt="${l}_{Pl} = \displaystyle{\sqrt{\frac{\hbar G}{{c}^{3}}}} \approx 1.6*{10}^{-33}$" v:shapes=«Рисунок_x0020_7»><img width=«166» height=«48» src=«ref-2_589516169-518.coolpic» alt="${t}_{Pl} = \displaystyle{\sqrt{\frac{\hbar G}{{c}^{5}}}} \approx 1.6*{10}^{-43}$" v:shapes=«Рисунок_x0020_8»>

Каждая фундаментальная физическая константа характеризует определенный круг физических явлений: G — гравитационные явления, <img width=«10» height=«15» src=«ref-2_589514870-176.coolpic» alt="$\hbar$" v:shapes=«Рисунок_x0020_9»> — квантовые, c — релятивистские. Поэтому если в какое-то соотношение входят одновременно G, <img width=«10» height=«15» src=«ref-2_589514870-176.coolpic» alt="$\hbar$" v:shapes=«Рисунок_x0020_10»>, c, то это значит, что данное соотношение описывает явление, которое одновременно является гравитационным, квантовым и релятивистским. Таким образом, существование планковских величин указывает на возможное существование соответствующих явлений в Природе.

Конечно, численные значения lPl и tPl очень малы по сравнению с характерными значениями величин в макромире. Но это означает только то, что квантовогравитационные эффекты слабо проявляют себя. Они могли быть существенны лишь тогда, когда характерные параметры стали бы сравнимыми с планковскими величинами.

Отличительной чертой явлений микромира является то обстоятельство, что физические величины оказываются подверженными так называемым квантовым флуктуациям. Это означает, что при многократных измерениях физической величины в определенном состоянии принципиально должны получаться различные численные значения, обусловленные неконтролируемым взаимодействием прибора с наблюдаемым объектом. Вспомним, что гравитация связана с проявлением кривизны пространства-времени, то есть с геометрией пространства-времени. Поэтому следует ожидать, что на временах порядка tPl и расстояниях порядка lPl геометрия пространства-времени должна стать квантовым объектом, геометрические характеристики должны испытывать квантовые флуктуации. Другими словами, на планковских масштабах нет никакой фиксированной пространственно-временной геометрии, образно говоря, пространство-время представляет собой бурлящую пену.

Последовательная квантовая теория гравитации не построена. В силу чрезвычайно малых значений lPl, tPl следует ожидать, что в любом обозримом будущем не удастся поставить эксперименты, в которых проявили бы себя квантовогравитационные эффекты. Поэтому теоретическое исследование вопросов квантовой гравитации остается единственной возможностью продвижения вперед. Есть ли, однако, явления, где квантовая гравитация могла бы оказаться существенной? Да, есть, и мы о них уже говорили. Это гравитационный коллапс и Большой Взрыв. Согласно классической теории гравитации, объект, подверженный гравитационному коллапсу, должен сжиматься до сколь угодно малых размеров. Это означает, что его размеры могут стать сравнимыми с lPl, где классическая теория уже неприменима. Точно так же в процессе Большого Взрыва возраст Вселенной был сравним с tPl и она имела размеры порядка lPl. Это означает, что понимание физики Большого Взрыва невозможно в рамках классической теории. Таким образом, описание конечной стадии гравитационного коллапса и начальной стадии эволюции Вселенной может быть осуществлено только с привлечением квантовой теории гравитации.
    продолжение
--PAGE_BREAK--Слабое взаимодействие
Это взаимодействие является наиболее слабым из фундаментальных взаимодействий, экспериментально наблюдаемых в распадах элементарных частиц, где принципиально существенными являются квантовые эффекты. Вспомним, что квантовые проявления гравитационного взаимодействия никогда не наблюдались. Слабое взаимодействие выделяется с помощью следующего правила: если в процессе взаимодействия участвует элементарная частица, называемая нейтрино (или антинейтрино), то данное взаимодействие является слабым.

Типичный пример слабого взаимодействия — это бета-распад нейтрона

n <img width=«21» height=«17» src=«ref-2_589517039-181.coolpic» alt="---->" v:shapes=«Рисунок_x0020_11»>p + e- + <img width=«11» height=«14» src=«ref-2_589517220-173.coolpic» alt=«aneutrino» v:shapes=«Рисунок_x0020_12»>e,

где n — нейтрон, p — протон, e- — электрон, <img width=«11» height=«14» src=«ref-2_589517220-173.coolpic» alt=«aneutrino» v:shapes=«Рисунок_x0020_13»>e — электронное антинейтрино. Следует, однако, иметь в виду, что указанное выше правило совсем не означает, что любой акт слабого взаимодействия обязан сопровождаться нейтрино или антинейтрино. Известно, что имеет место большое число безнейтринных распадов. В качестве примера можно отметить процесс распада лямбда-гиперона <img width=«17» height=«15» src=«ref-2_589517566-183.coolpic» alt="$\Delta$" v:shapes=«Рисунок_x0020_14»> на протон p и отрицательно заряженный пион <img width=«13» height=«12» src=«ref-2_589517749-174.coolpic» alt="${\pi}^{-}$" v:shapes=«Рисунок_x0020_15»>. По современным представлениям нейтрон и протон не являются истинно элементарными частицами, а состоят из элементарных частиц, называемых кварками.

Интенсивность слабого взаимодействия характеризуется константой связи Ферми GF. Константа GF размерна. Чтобы образовать безразмерную величину, необходимо использовать какую-нибудь эталонную массу, например массу протона mp. Тогда безразмерная константа связи будет

GFmp2 ~ 10-5.

Видно, что слабое взаимодействие гораздо интенсивнее гравитационного.

Слабое взаимодействие в отличие от гравитационного является короткодействующим. Это означает, что слабое взаимодействие между частицами начинает действовать, только если частицы находятся достаточно близко друг к другу. Если же расстояние между частицами превосходит некоторую величину, называемую характерным радиусом взаимодействия, слабое взаимодействие не проявляет себя. Экспериментально установлено, что характерный радиус слабого взаимодействия порядка 10-15 см, то есть слабое взаимодействие, сосредоточен на расстояниях меньше размеров атомного ядра.

Почему можно говорить о слабом взаимодействии как о независимом виде фундаментальных взаимодействий? Ответ прост. Установлено, что есть процессы превращений элементарных частиц, которые не сводятся к гравитационным, электромагнитным и сильным взаимодействиям. Хороший пример, показывающий, что существуют три качественно различных взаимодействия в ядерных явлениях, связан с радиоактивностью. Эксперименты указывают на наличие трех различных видов радиоактивности: <img width=«8» height=«7» src=«ref-2_589517923-165.coolpic» alt="$\alpha$" v:shapes=«Рисунок_x0020_16»>-, <img width=«13» height=«22» src=«ref-2_589518088-186.coolpic» alt="$\beta$" v:shapes=«Рисунок_x0020_17»> — и <img width=«7» height=«20» src=«ref-2_589518274-174.coolpic» alt="$\gamma$" v:shapes=«Рисунок_x0020_18»>-радиоактивных распадов. При этом <img width=«8» height=«7» src=«ref-2_589517923-165.coolpic» alt="$\alpha$" v:shapes=«Рисунок_x0020_19»>-распад обусловлен сильным взаимодействием, <img width=«7» height=«20» src=«ref-2_589518274-174.coolpic» alt="$\gamma$" v:shapes=«Рисунок_x0020_20»>-распад — электромагнитным. Оставшийся <img width=«13» height=«22» src=«ref-2_589518088-186.coolpic» alt="$\beta$" v:shapes=«Рисунок_x0020_21»>-распад не может быть объяснен электромагнитным и сильным взаимодействиями, и мы вынуждены принять, что есть еще одно фундаментальное взаимодействие, названное слабым. В общем случае необходимость введения слабого взаимодействия обусловлена тем, что в природе происходят процессы, в которых электромагнитные и сильные распады запрещены законами сохранения.

Хотя слабое взаимодействие существенно сосредоточено внутри ядра, оно имеет определенные макроскопические проявления. Как мы уже отмечали, оно связано с процессом <img width=«13» height=«22» src=«ref-2_589518088-186.coolpic» alt="$\beta$" v:shapes=«Рисунок_x0020_22»>-радиоактивности. Кроме того, слабое взаимодействие играет важную роль в так называемых термоядерных реакциях, ответственных за механизм энерговыделения в звездах.

Удивительнейшим свойством слабого взаимодействия является существование процессов, в которых проявляется зеркальная асимметрия. На первый взгляд кажется очевидным, что разница между понятиями левое и правое условна. Действительно, процессы гравитационного, электромагнитного и сильного взаимодействия инвариантны относительно пространственной инверсии, осуществляющей зеркальное отражение. Говорят, что в таких процессах сохраняется пространственная четность P. Однако экспериментально установлено, что слабые процессы могут протекать с несохранением пространственной четности и, следовательно, как бы чувствуют разницу между левым и правым. В настоящее время имеются твердые экспериментальные доказательства, что несохранение четности в слабых взаимодействиях носит универсальный характер, оно проявляет себя не только в распадах элементарных частиц, но и в ядерных и даже атомных явлениях. Следует признать, что зеркальная асимметрия представляет собой свойство Природы на самом фундаментальном уровне.

Несохранение четности в слабых взаимодействиях выглядело настолько необычным свойством, что практически сразу после его открытия теоретики предприняли попытки показать, что на самом деле существует полная симметрия между левым и правым, только она имеет более глубокий смысл, чем это ранее считалось. Зеркальное отражение должно сопровождаться заменой частиц на античастицы (зарядовое сопряжение C ), и тогда все фундаментальные взаимодействия должны быть инвариантными. Однако позднее было установлено, что эта инвариантность не является универсальной. Существуют слабые распады так называемых долгоживущих нейтральных каонов на пионы <img width=«13» height=«12» src=«ref-2_589519159-178.coolpic» alt="${\pi}^{+}$" v:shapes=«Рисунок_x0020_23»>, <img width=«13» height=«12» src=«ref-2_589517749-174.coolpic» alt="${\pi}^{-}$" v:shapes=«Рисунок_x0020_24»>, запрещенные, если бы указанная инвариантность реально имела место. Таким образом, отличительным свойством слабого взаимодействия является его CP-неинвариантность. Возможно, что это свойство ответственно за то обстоятельство, что вещество во Вселенной значительно превалирует над антивеществом, построенным из античастиц. Мир и антимир несимметричны.

Вопрос о том, какие частицы являются переносчиками слабого взаимодействия, долгое время был неясен. Понимания удалось достичь сравнительно недавно в рамках объединенной теории электрослабых взаимодействий — теории Вайнберга-Салама-Глэшоу. В настоящее время общепринято, что переносчиками слабого взаимодействия являются так называемые <img width=«25» height=«16» src=«ref-2_589519511-114.coolpic» alt="${W}^{\pm}$" v:shapes=«Рисунок_x0020_25»> — и Z0-бозоны. Это заряженные <img width=«25» height=«16» src=«ref-2_589519511-114.coolpic» alt="${W}^{\pm}$" v:shapes=«Рисунок_x0020_26»> и нейтральная Z0элементарные частицы со спином 1 и массами, равными по порядку величины 100 mp.
    продолжение
--PAGE_BREAK--
еще рефераты
Еще работы по физике