Скачать

К вопросу о Единой теории полей и взаимодействий

В своей повседневной жизни человек сталкивается с множеством сил действующих на тела: сила ветра или потока воды, давление воздуха, мускульная сила человека, вес предметов, давление квантов света, притяжение и отталкивание электрических зарядов, сейсмические волны. Вызывающие подчас катастрофические разрушения и т.д. одни силы действуют непосредственно при контакте с телом, другие, например, гравитация, действуют на расстоянии, через пространство. Но, как выяснилось в результате развития естествознания, несмотря на столь большое разнообразие, все действующие в природе силы можно свести к четырём фундаментальным взаимодействиям: сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное. Именно эти взаимодействия в конечном счёте отвечают за все изменения в мире, именно они являются источником всех материальных преобразований тел, процессов. Изучение свойств взаимодействий составляет главную задачу современной физики.

Целью курсовой работы является рассмотрение известных типов взаимодействий, изложение главных направлений их объединения, ознакомление с основными положениями и достижениями современной физики.

1. ЕДИНАЯ ТЕОРИЯ ПОЛЕЙ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ В НАСТОЯЩЕЕ ВРЕМЯ

Единая теория поля (ЕТП), физическая теория, задачей которой является единое описание всех элементарных частиц (или хотя бы группы частиц), выведение свойств этих частиц, законов их движения, их взаимных превращений из неких универсальных законов, описывающих единую «первоматерию», различные состояния которой и соответствуют различным частицам.

Термин «Теория поля» имеет многогранное значение. Часто под ним понимают математический аппарат, применяемый для описания физических полей. Нередко под теорией поля подразумевается электромагнетизм Фарадея-Максвелла, а иногда и общая теория относительности, посвященная описанию гравитационных полей. Есть еще термин «единая теория поля», под которым понимается некая единая парадигма, которая позволит объединить описание всех полей и взаимодействий в рамках общей логической платформы.

Понятие «Физическое поле» восходит к основоположникам электромагнетизма Фарадею и Максвеллу. Под этим термином понимают некоторого посредника, благодаря которому действие от одного тела передается к другому на расстоянии.

При этом само понятие поля трансформировалось со временем. Основоположники электромагнетизма скорее понимали под полем некую среду, которая подвержена динамике, может перетекать и вращаться, откуда и появились такие понятия теории поля как дивергенция и ротор. Во многом такие представления о поле привели к появлению понятия эфира. Важно, что именно построение наглядных моделей невидимого поля поспособствовали успешному созданию классической электродинамики.

Другая школа, опирающаяся на математический формализм, была более склонна рассматривать поле как заданную в пространстве и времени математическую функцию. Этот подход не требовал построения умозрительных моделей и казался более строгим с математической точки зрения. Однако он способствовал сведению научного мышления к примитивному перебору математических вариантов, наиболее распространенному в рамках принципа наименьшего действия.

В XX веке на смену классического понятия поля пришло еще две концепции. Первая из них – подмена физического понятия поля математическим пространством. Это так называемый путь геометризации физики, наиболее известным примером которого является общая теория относительности. Вторая – модель обменного взаимодействия, воплощенная в квантовой теории. В этом случае в связи с необходимостью получить дискретные характеристики частиц и процессов вместо непрерывного поля используются виртуальные частицы – переносчики взаимодействия.

В полевой физике во многом происходит возвращение к представлениям о поле в духе Фарадея-Максвелла, только на современном уровне. Для этого используется понятие «Полевая среда». Это созвучная понятию физического поля реальная сущность, подверженная собственной динамике, посредством которой и происходит взаимодействие удаленных объектов. Так взаимодействие частиц в полевой среде описывается полевым уравнением движения, а построенная на основе этой концепции полевая механика в качестве своих следствий содержит классическую механику, электродинамику, частично теорию относительности, квантовую и ядерную физику и немало других следствий.

Понятие «Взаимодействие» или «Физические взаимодействия» является в физике одним из основных. Обычно под ними понимается свойство тел оказывать взаимное влияние друг на друга. В классической механике взаимные действия объектов описывались на языке сил. В теории поля появилось понятие посредника, через которое осуществляется действие на расстоянии. В разные времена этому посреднику присваивались разные имена – физическое поле, эфир, пространство, физический вакуум, виртуальные частицы, полевая среда.

В современной физике (в ХХ веке) развитие идеи посредника пошло по двум принципиально разным путям. В рамках общей теории относительности вместо эфира ролью посредника наделили пространство как таковое, а причина взаимодействия, в частности гравитационного, была приписана искривлению пространства. В рамках квантовой физики роль посредника перешла к особым частицам – переносчикам взаимодействий. Согласно этой концепции, называемой обменное взаимодействие, объекты действуют друг на друга испуская и поглощая виртуальные частицы, а источником для рождения таких частиц служит физический вакуум. Вообще говоря, эти частицы могут быть вполне реальными. Например, переносчиками электромагнитного взаимодействия считаются фотоны, а ученые надеются обнаружить переносчиков и всех других взаимодействий. Однако пока этого не удается сделать, что в общем-то, не мешает развиваться теории, которая вполне может оперировать и виртуальными частицами.

Полевая физика в качестве альтернативы этим двум моделям взаимодействия использует понятие полевой среды, как реальной физической сущности, подверженной внутренней динамике, что во многом является возрождением подходов Фарадея-Максвелла к теории поля, только на более современном уровне. Механизм полевого взаимодействия материальных объектов согласно этой концепции состоит в передаче взаимного влияния через полевую среду.

Современная физика выделяет 4 типа фундаментальных взаимодействий. Два из них – электромагнитное и гравитационное – известны довольно давно, во многом похожи и поддаются классическому описанию (по крайней мере, на элементарном уровне). Два других – сильное (ядерное) и слабое (распад и взаимопревращение элементарных частиц) – являются плодом современной физики, не выражаются в виде элементарной зависимости величины действия от соответствующих зарядов и расстояния и служат во многом лишь как обобщающие понятия двух групп до конца не понятных явлений.

Полевая физика рассматривает в качестве фундаментальных только два типа взаимодействий – гравитационное и электрическое. Причем, на уровне полевой кинематики они полностью похожи и симметричны: – в классических условиях они подчиняются одним и тем же законам обратных квадратов, системе уравнений Максвелла, распространяются со скоростью света, симметричным образом определяют массы тел.

Различие между этими двумя типами взаимодействий лежит на уровне образования у материальных объектов свойств электрического заряда и гравитационного заряда. Другое различие – результат сложившегося распределения материи во Вселенной. Гравитационное поле доминирует в космических масштабах (глобальное поле) и в силу найденных в полевой физике причин возникает эффект маскировки свойства гравитационного отталкивания - антигравитации. Электрическое поле, наоборот, играет большую роль в локальных явлениях и в силу доминирования глобального гравитационного поля приобретает симметричные свойства притяжения и отталкивания.

Сильное и слабое взаимодействия не рассматриваются в полевой физике как фундаментальные. Они и относимые к ним эффекты оказываются результатом совместного действия обычной гравитации и электричества в тех или иных условиях. Например, полевая физика объясняет, почему на очень малых расстояниях между одноименными электрическими зарядами (протонами) вместо отталкивания возникает очень сильное притяжение и даже позволяет получить потенциал ядерных сил. Примечательное, что причиной столь аномального поведения оказывается гравитационное поле, которое незаслуженно считается не грающим никакой роли в ядерных процессах.

А. Эйнштейн высказал идею о возможности и необходимости создания ЕТП еще в 1908—1910 гг. и активно работал в этом направлении с 1920 г. Идея не была принята большинством физиков, более того, сформировалось убеждение, что построение ЕТП в принципе невозможно. Попытки А. Эйнштейна и его немногочисленных сподвижников создать ЕТП осуждались. Даже А.И. Иоффе назвал настойчивое стремление А. Эйнштейна создать ЕТП "маниакальным увлечением" Такое заблуждение разделяло большинство физиков-теоретиков до тех пор, пока в 1979 г. Нобелевской премии были удостоены А. Салам, С. Вейнберг, Ш. Глешоу за создание единой теории электрослабых взаимодействий.

Несмотря на все различия частиц и их взаимодействий, в них можно обнаружить достаточно много общего: общеизвестным примером является объединение электричества и магнетизма в электромагнетизм Максвеллом в 1864 году. Идея описывать различные взаимодействия общим уравнением стала особенно популярной после создания Эйнштейном в 1916 году Общей теории относительности, описавшей гравитацию. Единая теория поля, которая позволила бы описать в рамках единого подхода все элементарные частицы и их взаимодействия, объяснила бы все существующие во Вселенной физические явления — такая гипотетическая теория получила полушутливое название «Теория всего». Задачи перед ней ставятся нешуточные: мало того, что она должна объяснять и предсказывать все существующие элементарные частицы и их взаимодействия, ей еще следует объяснять их массы и время жизни.

Однако шаги по ее построению долгое время были безуспешными: в частности, Эйнштейн работал над созданием такой теории до самой смерти. Легенды гласят, что Эйнштейну удалось это сделать, и для экспериментальной проверки его теоретических выводов американское правительство в 1943 году организовало секретный Филадельфийский эксперимент, в ходе которого якобы произошла телепортация на несколько сотен километров эсминца «Элдридж». Якобы затем Эйнштейн уничтожил все свои изыскания в этой области, поскольку они могли быть использованы в исключительно разрушительном вооружении. Правильные ребята относятся к этой легенде с легким скепсисом: большинство экспериментов, сделавших возможным создание Стандартной модели, объединяющей только 3 из 4 фундаментальных взаимодействий, было произведено уже после смерти Эйнштейна.

Сдвиг в области построения Единой теории поля наметился только после открытия слабого и сильного взаимодействий. Первым шагом стала теория электрослабого взаимодействия, построенная Саламом, Глэшоу и Вайнбергом в 1967 году на основе квантовой электродинамики (за нее они получили Нобелевскую премию в 1979 году, т.е. почти сразу). Затем в 1973 году была построена теория, описывающая сильное взаимодействие — квантовая хромодинамика. На основе этих двух теорий и была создана Стандартная модель, все предсказания которой подтвердились, кроме до сих пор не обнаруженного бозона Хиггса.

2. ПОДРОБНЕЕ ОБ ОБЪЕДИНЕНИИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ

Одной из важных особенностей физики элементарных частиц на начальном этапе было различие между различными типами взаимодействий. Оказалось, что существует всего четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

Интенсивность различных взаимодействий при энергиях порядка нескольких МэВ характеризуется следующими константами:

константа сильного взаимодействия б_s ~ 1,

константа электромагнитного взаимодействия б_e ~ 10^-2,

константа слабого взаимодействия б_w ~ 10^-6,

константа гравитационного взаимодействия б_G ~ 10^-38.

В основе идеи объединения различных взаимодействий лежит зависимость констант, слабого электромагнитного и сильного взаимодействий от расстояния. Из рис.1,3 видно как появляется такая зависимость. На рис. 1 показан механизм экранировки электрического заряда(*)электрона. Причина экранировки состоит в следующем: электрон может испускать виртуальные фотоны, которые в свою очередь могут превращаться в электрон - позитронные пары e ⁺ e ^- , пару м⁺м^-, пару мезонов р⁺р^-, K⁺K^- и т.д. В результате взаимодействия отрицательно заряженного электрона с виртуально образующимися парами частиц происходит их поляризация (поляризация вакуума). Притяжение между противоположно заряженными частицами приводит к экранировке отрицательного заряда исходного электрона положительно заряженными e⁺, м⁺, р⁺-мезонами, располагающимися преимущественно ближе к электрону. Поэтому, при приближении пробного заряда к электрону, он будет чувствовать распределение поля виртуальных частиц. Т. е. величина измеренного заряда будет зависеть от расстояния между пробной частицей и электроном. Это называется в квантовой электродинамике экранировкой электрического заряда. Теоретические расчеты показывают, что с уменьшением расстояния величина наблюдаемого заряда растет, что и приводит к увеличению константы электромагнитного взаимодействия.