Физика

• Перевод

Автор статьи – Дон Линкольн, старший учёный в лаборатории при БАК Fermilab, работающей под эгидой энергетического департамента США. Недавно написал книгу "Большой адронный коллайдер: необычная история бозона Хиггса и другие вещи, которые вас поразят ".

У науки с интернетом сложные взаимоотношения: наука движется вперёд путём осторожной и тщательной оценки данных и теории, и этот процесс может идти годами. А в интернете способность аудитории к концентрации напоминает диснеевскую рыбку Дори из мультика «В поисках Немо» (А теперь и «В поисках Дори») – тут мем, здесь фотка звезды… Ой, смотрите – смешной котик…

Поэтому люди, интересующиеся серьёзной наукой, должны осторожно относиться к информации, выложенной в интернете, заявляющей о научном исследовании, кардинально меняющем парадигму науки. Недавний пример – статья, в которой утверждается о возможном открытии пятого фундаментального взаимодействия. Если бы это было так, нам бы пришлось переписывать учебники.

Как физик, я хочу пролить дисциплинированный научный свет на это заявление.

Пятое взаимодействие

Так что же заявляется?

В статье , отправленной 7 апреля 2015 года на сайт arXiv, группа венгерских исследователей описала изучение поведения интенсивного пучка протонов на тонких литиевых мишенях. Обнаруженные столкновения создавали возбуждённые ядра бериллия-8, распадавшегося на обычный беррилий-8 и пары электрон-позитрон.

Они заявили, что полученные ими данные нельзя объяснить известными физическими явлениями в Стандартной модели, заправляющей современной физикой частиц. Но объяснение этих данных было возможно при существовании неизвестной доселе частицы массой в 17 миллионов эВ, что в 32,7 раз тяжелее электрона, или составляет 2% от массы протона. Частицы, появляющиеся при таких энергиях, довольно низких по современным меркам, хорошо изучены. И было бы весьма неожиданно, если бы там была обнаружена новая.

Однако измерения перенесли экспертную оценку и были опубликованы 26 января 2016 года в журнале Physical Review Letters , одном из самых престижных журналов по физике мира. В этой публикации исследователи и их исследование преодолели впечатляющее препятствие.

Это измерение мало кто замечал до тех пор, пока на него не обратила внимание группа физиков-теоретиков из Калифорнийского университета в Ирвине (UCI). И как обычно поступают теоретики со спорными физическими измерениями, команда сравнила их с имеющимися работами, собранными за последнюю сотню лет, чтобы увидеть, соответствуют ли новые данные с уже собранной информацией. В этом случае они вели сравнение с десятком опубликованных исследований.

Они обнаружили, что хотя измерения и не конфликтуют с предыдущими исследованиями, в них наблюдается нечто, чего раньше не встречалось – и нечто, чего нельзя объяснить Стандартной моделью.

Новая теоретическая платформа

Чтобы разобраться в венгерских измерениях, эта группа теоретиков из UCI придумала новую теорию.

Теория эта весьма экзотична. Они начали с разумного предположения, что новая возможная частица не объясняется существующей теорией. Это имеет смысл, поскольку у возможной новой частицы малая масса, и если бы она описывалась известными законами физики, её бы нашли раньше. Если эта частица подчиняется новым законам физики, возможно, присутствует и новое взаимодействие. Поскольку традиционно физики говорят о четырёх известных фундаментальных взаимодействиях (гравитация, электромагнетизм, сильное и слабое), это новое гипотетическое взаимодействие назвали «пятым».

История теорий и открытий пятого взаимодействия довольно разнообразна, она насчитывает несколько десятилетий, и в её рамках новые измерения и идеи возникали, чтобы потом исчезнуть. С другой стороны, существуют загадки, не объясняемые обычной физикой – например, тёмная материя. Хотя тёмную материю всегда моделировали как единственную форму стабильной массивной частицы, испытывающей гравитацию и ни одну из других известных сил, нет причин, по которым тёмная материя не участвовала бы в таких взаимодействиях, в которых не принимает участие обычная. Ведь обычная материя участвует во взаимодействиях, в которых не участвует тёмная – так что тут нет ничего глупого.

Есть много идей о взаимодействиях, влияющих только на тёмную материю, и все они в общем называются "сложная тёмная материя ". Одна из известных идей говорит о существовании тёмного фотона, взаимодействующего с тёмным зарядом, переносимым только тёмной материей. Эта частица – тёмный аналог фотона обычной материи, взаимодействующего с известным нам электрическим зарядом, но с одним исключением: некоторые теории сложной тёмной материи наделяют тёмные фотоны массой, в отличие от обычных фотонов.

Если тёмные фотоны существуют, они могут связываться с обычной материей (и обычными фотонами) и распадаться на электрон-позитронные пары, которые и исследовала группа венгерских учёных. Поскольку тёмные фотоны не взаимодействуют с обычным электрическим зарядом, эта связь может возникнуть лишь благодаря причудам квантовой механики. Но если учёные начали наблюдать увеличение электрон-позитронных пар, это может означать, что они наблюдают тёмные фотоны.

Ирвинская группа нашла модель, включающую «протофобную» частицу, не исключаемую ранними измерениями, способную объяснить венгерский результат. «Протофобные», то есть «избегающие протонов» частицы, редко или почти никогда не взаимодействуют с протонами, но могут взаимодействовать с нейтронами (нейтрофильные).

Частица, предложенная ирвинской группой, участвует в пятом, неизвестном взаимодействии, проявляющемся на расстоянии в 12 фемтометров, или в 12 раз большем, чем размер протона. Частица протофобная и нейтрофильная. Масса частицы составляет 17 миллионов эВ и может распадаться на электрон-позитронные пары. В дополнение к объяснению венгерского эксперимента, такая частица могла бы объяснить и некоторые несоответствия, обнаруженные в других экспериментах. Последнее добавляет немного веса этой идее.

Взаимодействие, меняющее парадигму?

Вот так оно есть.

Что может оказаться правдой? Данные – это главное. Потребуются другие эксперименты, чтобы подтвердить или опровергнуть изменения. Всё остальное неважно. Но на это потребуется около года, и было бы неплохо придумать какую-нибудь идею за это время. Лучший способ оценки вероятности того, что открытие окажется настоящим, это изучение репутации исследователей, участвовавших в эксперименте. Это, конечно, вульгарный способ заниматься наукой, но он может приглушить ваши ожидания.

Начнём с ирвинской группы. Многие из них (особенно руководители) имеют хорошую репутацию и являются устоявшимися экспертами в области, и у них в резюме есть хорошие работы. Возраст группы разный, есть и пожилые, и молодые участники. Некоторых из них я знаю лично, двое из них читали теоретические части в главах книги, которую я написал, чтобы удостовериться в том, что я не наговорил там глупостей (Кстати, ошибок они не нашли, но помогли прояснить некоторые моменты). Это объясняет моё уважение к членам ирвинской группы, хотя, возможно, и делает меня предвзятым. Я практически уверен в том, что их работа по сравнению новой модели с существующими данными была тщательной и профессиональной. Они обнаружили небольшой и неисследованный регион возможных теорий.

С другой стороны, сама теория довольно умозрительная и маловероятная. Это не приговор – так можно сказать про все теории. Ведь Стандартная модель, управляющая физикой частиц, известна уже 50 лет и хорошо изучена. Кроме того, все новые теории умозрительные и маловероятные, и большинство из них неверны. Это тоже не приговор. Есть много способов добавить исправления к существующим теориям, чтобы объяснить новые явления. И все не могут быть верны. А иногда ни одна из предлагаемых теорий не оказывается верной.

Однако, можно заключить, исходя из репутации членов группы, что они придумали новую идею и сравнили её со всеми имеющими к ней отношение данными. То, что они опубликовали свою модель, означает, что она прошла их тесты, и осталась правдоподобной, пусть и маловероятной, возможностью.

Что насчёт венгерской группы? Никого из них я не знаю лично, но статью напечатали в Physical Review Letters – это уже идёт им в плюс. Однако эта группа публиковала две предыдущих работы, в которых наблюдались схожие аномалии, включая возможную частицу массой в 12 миллионов эВ, и частицу массой в 14 миллионов эВ . Обе работы были опровергнуты другими экспериментами.

Далее, венгерская группа так и не объяснила, что послужило причинами ошибок в опровергнутых работах. Ещё один звоночек – то, что группа редко публикует данные, не содержащие аномалий. Это маловероятно. В моей исследовательской карьере большинство публикаций подтверждали существующие теории. Повторяющиеся аномалии очень редки.

Так что в итоге? Надо ли радоваться новому возможному открытию? Ну, конечно, возможные открытия – это всегда интересно. Стандартная модель выдерживала проверки 50 лет, но есть и необъяснённые загадки, и научное сообщество всегда ищет открытия, указывающие на новые и недоказанные теории. Но каковы шансы, что это измерение и теория приведут к тому, что научное сообщество примет существование пятого взаимодействия с радиусом действия в 12 фм и частицу, остерегающуюся протонов? Мне кажется, шансов мало. Я не отношусь к идее оптимистически.

Конечно, мнение – это всего лишь мнение, пусть и информирование. Другие эксперименты также будут искать тёмные фотоны, поскольку даже если венгерские измерения не пройдут проверки, проблема тёмной материи будет существовать. Многие эксперименты в поисках тёмных фотонов будут изучать то же пространство параметров (энергию, массу и режимы распада), в которых, по заявлению венгерских исследователей, и найдена аномалия. Скоро, в течение года, мы узнаем, была ли эта аномалия открытием или же ещё одним глюком, временно взбудораживших сообщество, чтобы затем быть отброшенным после получения более аккуратных данных. Но неважно, чем это закончится – всё равно результатом этого будет улучшенная наука.

Теги:

• пятое взаимодействие
• fifth force
• квантовая физика
• стандартная модель

Добавить метки

2.2. Фундаментальные взаимодействия

Взаимодействие – основная причина движения материи, поэтому взаимодействие присуще всем материальным объектам независимо от их природного происхождения и системной организации. Особенности различных взаимодействий определяют условия существования и специфику свойств материальных объектов. Всего известно четыре вида взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое.

Гравитационное взаимодействие первым из известных фундаментальных взаимодействий стало предметом исследования ученых. Оно проявляется во взаимном притяжении любых материальных объектов, имеющих массу, передается посредством гравитационного поля и определяется законом всемирного тяготения, который был сформулирован И. Ньютоном

Закон всемирного тяготения описывает падение материальных тел в поле Земли, движение планет Солнечной системы, звезд и т. п. По мере увеличения массы вещества гравитационные взаимодействия возрастают. Гравитационное взаимодействие – наиболее слабое из всех известных современной науке взаимодействий. Тем не менее гравитационные взаимодействия определяют строение всей Вселенной: образование всех космических систем; существование планет, звезд и галактик. Важная роль гравитационного взаимодействия определяется его универсальностью: все тела, частицы и поля участвуют в нем.

Переносчиками гравитационного взаимодействия являются гравитоны – кванты гравитационного поля.

Электромагнитное взаимодействие также является универсальным и существует между любыми телами в микро-, макро– и мегамире. Электромагнитное взаимодействие обусловлено электрическими зарядами и передается с помощью электрического и магнитного полей. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное – при движении электрических зарядов. Электромагнитное взаимодействие описывается: законом Кулона, законом Ампера и др. и в обобщенном виде – электромагнитной теорией Максвелла, связывающей электрическое и магнитное поля. Благодаря электромагнитному взаимодействию возникают атомы, молекулы и происходят химические реакции. Химические реакции представляют собой проявление электромагнитных взаимодействий и являются результатами перераспределения связей между атомами в молекулах, а также количества и состава атомов в молекулах разных веществ. Различные агрегатные состояния вещества, силы упругости, трения и т. д. определяются электромагнитным взаимодействием. Переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны – кванты электромагнитного поля с нулевой массой покоя.

Внутри атомного ядра проявляются сильные и слабые взаимодействия. Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре. Данное взаимодействие определяется ядерными силами, обладающими зарядовой независимостью, короткодействием, насыщением и другими свойствами. Сильное взаимодействие удерживает нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре и кварки внутри нуклонов и отвечает за стабильность атомных ядер. С помощью сильного взаимодействия ученые объяснили, почему протоны ядра атома не разлетаются под действием электромагнитных сил отталкивания. Сильное взаимодействие передается глюонами – частицами, «склеивающими» кварки, которые входят в состав протонов, нейтронов и других частиц.

Слабое взаимодействие также действует только в микромире. В этом взаимодействии участвуют все элементарные частицы, кроме фотона. Оно обусловливает большинство распадов элементарных частиц, поэтому его открытие произошло вслед за открытием радиоактивности. Первая теория слабого взаимодействия была создана в 1934 г. Э. Ферми и развита в 1950-е гг. М. Гелл-Маном, Р. Фейнманом и другими учеными. Переносчиками слабого взаимодействия принято считать частицы с массой в 100 раз больше массы протонов – промежуточные векторные бозоны.

Характеристики фундаментальных взаимодействий представлены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Характеристики фундаментальных взаимодействий

Из таблицы видно, что гравитационное взаимодействие гораздо слабее других взаимодействий. Радиус его действия неограничен. Оно не играет существенной роли в микропроцессах и в то же время является основным для объектов с большими массами. Электромагнитное взаимодействие сильнее гравитационного, хотя радиус его действия также неограничен. Сильное и слабое взаимодействия имеют очень ограниченный радиус действия.

Одна из важнейших задач современного естествознания – создание единой теории фундаментальных взаимодействий, объединяющей различные виды взаимодействия. Создание подобной теории означало бы также построение единой теории элементарных частиц.

Известны четыре вида взаимодействий между элементарными частицами: сильное , электромагнитное , слабое и гравитационное (они перечислены в порядке убывания интенсивности). Интенсивность взаимодействия принято характеризовать так называемой константой взаимодействия α, которая представляет собой безразмерный параметр , определяющий вероятность процессов , обусловленных данным видом взаимодействия . Для электромагнитного взаимодействия константа:

где Е – энергия взаимодействия двух электронов, находящихся на расстоянии λ. Следовательно,

.

Тогда характеристическое отношение имеет вид:

.

Константа электромагнитных взаимодействий – безразмерная величина:

.

Константы других видов взаимодействий определяют относительно значения константы электромагнитного взаимодействия.

Отношение констант даёт относительную интенсивность соответствующих взаимодействий.

Сильное взаимодействие. Этот вид взаимодействия обеспечивает связь нуклонов в ядре. Константа сильного взаимодействия имеет величину порядка 1–10. Наибольшее расстояние, на котором проявляется сильное взаимодействие (радиус действия), составляет примерно м.

Электромагнитное взаимодействие. Константа взаимодействия равна (константа тонкой структуры). Радиус действия не ограничен ().

Слабое взаимодействие. Это взаимодействие ответственно за все виды β-распада ядер (включая e - захваты), за распады элементарных частиц, а также за все процессы взаимодействия нейтрона с веществом. Константа взаимодействия равна величине порядка 10 –10 – . Слабое взаимодействие, как и сильное, является короткодействующим.

Гравитационное взаимодействие. Константа взаимодействия имеет значение порядка . Радиус действия не ограничен (). Гравитационное взаимодействие является универсальным, ему подвержены все без исключения элементарные частицы. Однако в процессах микромира гравитационное взаимодействие ощутимой роли не играет. В табл. 1 приведены значения константы разных видов взаимодействия, а также среднее время жизни частиц, распадающихся за счёт данного вида взаимодействия (время распада).

Таблица 1

Тип взаимодействий	Механизм обмена	Интенсивность, α	Радиус, r , м	Характерное время жизни, τ, с
	глюонами

Способность к взаимодействию – важнейшее и неотьем-лемое свойство материи. Именно взаимодействия обеспечивают обьединение различных материальных обьектов мега-, макро– и микромира в системы. Все известные современной науке силы сводятся к четырем типам взаимодействий, которые называются фундаментальными: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное.

Гравитационное взаимодействие впервые стало обьек-том изучения физики в XVII в. Теория гравитации И. Ньютона, основу которой составляет закон всемирного тяготения, стала одной из составляющих классической механики. Закон всемирного тяготения гласит: между двумя телами существует сила притяжения, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними (2.3). Любая материальная частица является источником гравитационного воздействия и испытывает его на себе. По мере увеличения массы гравитационные взаимодействия возрастают, т. е. чем больше масса взаимодействующих веществ, тем сильнее действуют гравитационные силы. Силы гравитации – это силы притяжения. В последнее время физики высказывают предположение о существовании гравитационного отталкивания, которое действовало в самые первые мгновения существования Вселенной (4.2), однако эта идея пока не подтверждена. Гравитационное взаимодействие – наиболее слабое из ныне известных. Гравитационная сила действует на очень больших расстояниях, ее интенсивность с увеличением расстояния убывает, но не исчезает полностью. Считается, что переносчиком гравитационного взаимодействия является гипотетическая частица гравитон. В микромире гравитационное взаимодействие не играет существенной роли, однако в макро– и особенно мегапроцессах ему принадлежит ведущая роль.

Электромагнитное взаимодействие стало предметом изучения в физике XIX в. Первой единой теорией электромагнитного поля выступила концепция Дж. Максвелла (2.3). В отличие от гравитационной силы электромагнитные взаимодействия существуют только между заряженными частицами: электрическое поле – между двумя покоящимися заряженными частицами, магнитное – между двумя движущимися заряженными частицами. Электромагнитные силы могут быть как силами притяжения, так и силами отталкивания. Одноименно заряженные частицы отталкиваются, разноименно – притягиваются. Переносчиками этого типа взаимодействия являются фотоны. Электромагнитное взаимодействие проявляется в микро-, макро– и мегамире.

В середине XX в. была создана квантовая электродинамика – теория электромагнитного взаимодействия, которая удовлетворяла основным принципам квантовой теории и теории относительности. В 1965 г. ее авторы С. То-манага, Р. Фейнман и Дж. Швингер были удостоены Нобелевской премии. Квантовая электродинамика описывает взаимодействие заряженных частиц – электронов и позитронов.

Слабое взаимодействие было открыто только в XX в., в 1960-е гг. построена общая теория слабого взаимодействия. Слабое взаимодействие связано с распадом частиц, поэтому его открытие последовало только вслед за открытием радиоактивности. При наблюдении радиоактивного распада частиц обнаружились явления, которые, казалось бы, противоречили закону сохранения энергии. Дело в том, что в процессе распада часть энергии «исчезала». Физик В. Паули предположил, что в процессе радиоактивного распада вещества вместе с электроном выделяется частица, обладающая высокой проникающей способностью. Позже эта частица была названа «нейтрино». Оказалось, что в результате слабых взаимодействий нейтроны, входящие в состав атомного ядра, распадаются на три типа частиц: положительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные нейтрино. Слабое взаимодействие значительно меньше электромагнитного, но больше гравитационного, и в отличие от них распространяется на небольших расстояниях – не более 10-22см. Именно поэтому долгое время слабое взаимодействие экспериментально не наблюдалось. Переносчиками слабого взаимодействия являются бозоны.

В 1970-е гг. была создана общая теория электромагнитного и слабого взаимодействия, получившая название теории электрослабого взаимодействия. Ее создатели С. Вайнберг, А. Салам и С. Глэшоу в 1979 г. получили Нобелевскую премию. Теория электрослабого взаимодействия рассматривает два типа фундаментальных взаимодействий как проявления единого, более глубокого. Так, на расстояниях более 10-17см преобладает электромагнитный аспект явлений, на меньших расстояниях в одинаковой степени важны и электромагнитный, и слабый аспекты. Создание рассматриваемой теории означало, что обьединенные в классической физике XIX в., в рамках теории Фарадея-Максвелла, электричество, магнетизм и свет в последней трети XX в. дополнились феноменом слабого взаимодействия.

Сильное взаимодействие также было открыто только в XX в. Оно удерживает протоны в ядре атома, не позволяя им разлететься под действием электромагнитных сил отталкивания. Сильное взаимодействие осуществляется на расстояниях не более чем 10-13см и отвечает за устойчивость ядер. Ядра элементов, находящихся в конце таблицы Менделеева, неустойчивы, поскольку их радиус велик и, соответственно, сильное взаимодействие теряет свою интенсивность. Такие ядра подвержены распаду, который и называется радиоактивным. Сильное взаимодействие ответственно за образование атомных ядер, в нем участвуют только тяжелые частицы: протоны и нейтроны. Ядерные взаимодействия не зависят от заряда частиц, переносчиками этого типа взаимодействий являются глюоны. Глюоны обьединены в глюонное поле (по аналогии с электромагнитным), благодаря которому и осуществляется сильное взаимодействие. По своей мощи сильное взаимодействие превосходит другие известные и является источником огромной энергии. Примером сильного взаимодействия выступают термоядерные реакции на Солнце и других звездах. Принцип сильного взаимодействия использован при создании водородного оружия.

Теорию сильного взаимодействия называют квантовой хромодинамикой. Согласно этой теории сильное взаимодействие есть результат обмена глюонами, в результате чего обеспечивается связь кварков в адронах. Квантовая хромо-динамика продолжает развиваться, и хотя ее нельзя пока считать законченной концепцией сильного взаимодействия, тем не менее эта физическая теория имеет прочную экспериментальную базу.

В современной физике продолжаются поиски единой теории, которая позволила бы объяснить все четыре типа фундаментальных взаимодействий. Создание подобной теории означало бы также построение единой концепции элементарных частиц. Этот проект получил название «Великое объединение». Основанием для убежденности, что такая теория возможна, является то обстоятельство, что на малых расстояниях (менее 10-29см) и при большой энергии (более 1014ГэВ) электромагнитные, сильные и слабые взаимодействия описываются одинаковым образом, что означает общность их природы. Однако этот вывод имеет пока только теоретический характер, проверить его экспериментально до сих пор не удалось.

Различные конкурирующие между собой теории Великого объединения по-разному интерпретируют космологию (4.2). Например, предполагается, что в момент рождения нашей Вселенной существовали условия, в которых все четыре фундаментальных взаимодействия проявлялись одинаковым образом. Создание теории, объясняющей на единых основаниях все четыре типа взаимодействий, потребует синтеза теории кварков, квантовой хромодинамики, современной космологии и релятивистской астрономии.

Однако поиск единой теории четырех типов фундаментальных взаимодействий не означает, что невозможно появление иных трактовок материи: открытие новых взаимодействий, поиск новых элементарных частиц и т. п. Некоторые физики высказывают сомнение в возможности единой теории. Так, создатели синергетики И. Пригожин и И. Стен-герс в книге «Время, хаос, квант» пишут: «надежду на построение такой „теории всего“, из которой можно было бы вывести полное описание физической реальности, придется оставить», и обосновывают свой тезис закономерностями, сформулированными в рамках синергетики (7.2).

Важную роль в понимании механизмов взаимодействия элементарных частиц, их образования и распада сыграли законы сохранения. Помимо законов сохранения, действующих в макромире (закона сохранения энергии, закона сохранения импульса и закона сохранения момента импульса), в физике микромира были обнаружены новые: закон сохранения барионного, лептонного зарядов, странности и др.

Каждый закон сохранения связан с какой-либо симметрией в окружающем мире. В физике под симметрией понимается инвариантность, неизменность системы относительно ее преобразований, т. е. относительно изменений ряда физических условий. Немецким математиком Эммой Нетер была установлена связь между свойствами пространства и времени и законами сохранения классической физики. фундаментальная теорема математической физики, называемая теоремой Нетер, гласит, что из однородности пространства следует закон сохранения импульса, из однородности времени – закон сохранения энергии, а из изотропности пространства – закон сохранения момента импульса. Эти законы носят фундаментальный характер и справедливы для всех уровней существования материи.

Закон сохранения и превращения энергии утверждает, что энергия не исчезает и не появляется вновь, а лишь переходит из одной формы в другую. Закон сохранения импульса постулирует неизменность импульса замкнутой системы с течением времени. Закон сохранения момента импульса утверждает, что момент импульса замкнутой системы остается неизменным с течением времени. Законы сохранения являются следствием симметрии, т. е. инвариантности, неизменности структуры материальных обьектов относительно преобразований, или изменения физических условий их существования.

Важнейшими свойствами материи являются движение и взаимодействие. В широком смысле движение понимается как любое изменение, происходящее в природе. У всех форм движения есть нечто общее. Все они сводятся к взаимодействию тел. Для любого объекта существовать – значит взаимодействовать, как-то проявлять себя по отношению к другим телам. На протяжении столетий в науке сформировались два принципиально различных способа описания механизма взаимодействия – принципы дальнодействия и близкодействия.

Исторически первым был сформулирован И. Ньютоном принцип дальнодействия , в соответствии с которым взаимодействие между телами происходит мгновенно на любом расстоянии без каких-либо материальных носителей. В XIX в. в науку был введен М. Фарадеем принцип близкодействия , уточненный впоследствии: взаимодействие переносится полем от точки к точке со скоростью, не превышающей скорость света в вакууме. С точки зрения современной физики взаимодействие всегда подчиняется принципу близкодействия. Но во многих задачах, описывающих механические процессы с медленно движущимися объектами, можно использовать приближенный принцип близкодействия.

Природа взаимодействий может быть различной. В настоящее время физики различают четыре типа фундаментальных взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое.

Гравитационное взаимодействие первым стало предметом исследования ученых. Классическая (ньютоновская) теория тяготения была создана еще в XVII в. после открытия закона всемирного тяготения. Это самое слабое из всех известных взаимодействий, оно в 10 40 раз слабее силы взаимодействия электрических зарядов. Тем не менее, эта очень слабая сила определяет строение Вселенной: образование космических систем, существование планет, звезд, галактик. Гравитационное взаимодействие является универсальным и проявляется только как сила притяжения. В нем участвуют не только все тела, имеющие массу, а также и поля. Оно тем больше, чем больше массы взаимодействующих тел. Поэтому в микромире гравитационная сила не играет значительной роли, зато в макромире и мегамире она господствует. Гравитация – дальнодействующая сила. Ее интенсивность убывает с расстоянием, но продолжает сказываться и на очень больших расстояниях.

Электромагнитное взаимодействие также является универсальным и действует между любыми телами, но в отличие от гравитационного взаимодействия проявляется и в виде притяжения, и виде отталкивания. Благодаря электромагнитным связям возникают атомы, молекулы и макротела. Все химические и биологические процессы – проявления электромагнитного взаимодействия. К нему сводятся все обычные силы: упругости, трения, поверхностного натяжения и др. По своей величине это взаимодействие намного превосходит гравитационное, поэтому его действие легко наблюдать даже между телами обычных размеров. Оно также является дальнодействующим, его действие ощутимо и на больших расстояниях от источника. Оно уменьшается с расстоянием, но не исчезает. Электромагнитное взаимодействие описывается в физической теории, называемой квантовой электродинамикой.

Изучение строения атомного ядра привело к открытию нового типа взаимодействия, которое назвали сильным, так как в ядерных масштабах (~10 -15 м) оно на два-три порядка превосходит электромагнитное и позволяет объяснить, почему в ядре одинаково заряженные протоны не разлетаются. Сильное взаимодействие занимает первое место по силе и является источником огромной энергии. Оно соединяет кварки и антикварки в атомном ядре. Оно является близкодействующим и имеет ограниченный радиус действия – до 10-15 м. Сильное взаимодействие описывается в рамках квантовой хромодинамики.

Затем был открыт четвертый тип взаимодействия – слабое взаимодействие, ответственное за превращения элементарных частиц друг в друга и играющее важную роль не только в микромире, но и во многих явлениях космического масштаба. По интенсивности оно занимает третье место (между электромагнитным и гравитационным взаимодействиями) и является близкодействующим.

Механизм взаимодействия принято трактовать как обмен частицами-посредниками, несущими элементарные порции энергии – кванты. Считается, что каждое взаимодействие переносится определенным типом элементарных частиц – бозонов:

· в слабых взаимодействиях посредниками являются мезоны ;

· в электромагнитных – фотоны ;

· сильные взаимодействия осуществляются глюонами (англ. glue – клей), которые несут в себе столь большую энергию, что крепко удерживают кварки внутри частицы;

· гравитационное взаимодействие переносится квантами тяготения – гравитонами , которые экспериментально пока не обнаружены.

Теории, построенные для каждого из четырех типов взаимодействий, получились разными, и физикам это не нравилось. Хотелось их объединить. Хорошим примером служила единая теория электромагнитных взаимодействий, построенная Дж. Максвеллом в XIX в. На рубеже 60-70-х гг. ХХ столетия усилиями трех физиков (С. Вайнберг, Ш. Глэшоу, А. Салам) удалось объединить теории электромагнитного и слабого взаимодействий. Квант, переносящий объединенное электрослабое взаимодействие, может находиться в четырех состояниях, одно из которых фотонное, а три других обладают большой массой. Такое объединение требует энергий порядка 10 11 эВ, что соответствует температурам в 4 триллиона раз выше комнатной.

Сейчас физики заняты построением теории Великого объединения, которое включило бы и сильные взаимодействия. Искомый квант-посредник должен быть многомерным, а энергия, необходимая для реализации этого объединения, на современных установках недостижима. Проект суперобъединения, включающий и гравитацию, пока существует лишь как мечта.