velozona



[ Показать поток ] [ ] [ Узнавалки ] [ FAQ ]

Характеристика сильного ядерного взаимодействия


Entered by Vovaka on December 28, 2005 at 13:25:02:

Сильное взаимодействие является одним из четырех известных на данный момент видов фундаментальных взаимодействий. В порядке возрастания интенсивности это: гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное взаимодействия. Гравитационному взаимодействию подвержены все объекты, имеющие массу. Причем, так как даже частицы с нулевой массой покоя, но движущиеся со скоростью света, также обладают массой (согласно знаменитой формуле Эйнштейна Е=mc2), то получаем, все локализованные частицы взаимодействуют гравитационно (если немного копнуть вглубь, то окажется, что само свойство иметь массу является следствием нарушения пространственно-временной симметрии, т.е. как только мы говорим о чем-то, что имеет координаты, то сразу это что-то имеет массу).

Электромагнитное взаимодействие, если так можно выразиться, является самым распространенным. Результаты этого взаимодействия видны повсюду, в частности само понятие «видеть» определяется способностью предметов отражать и поглощать электромагнитные волны определенной частоты и возможностью нашего глаза преобразовывать эти отраженные волны в ощущение формы, цвета и т.п. Эти ощущения, в свою очередь, также имеют электромагнитную природу, как и все химические реакции, а как следствие и вся органическая жизнь. Электромагнитное взаимодействие, как известно, характеризуется квантовым числом – зарядом, являющимся атрибутом нарушенной внутренней зарядовой симметрии.

Оставшиеся два взаимодействия в «повседневной жизни» практически не проявляются. Т.е. конечно же, без них картина мира была бы совершенно иной, но макроскопических (т.е. фиксируемых на уровне нашего восприятия) проявлений этих взаимодействий крайне мало. Слабое взаимодействие проявляется в радиоактивности некоторых веществ, точнее в бета-распаде, когда нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино. Радиоактивность вполне измеряема макроскопическими приборами и небезызвестно ее воздействие на органическую жизнь. Вообще, слабое взаимодействие является причиной превращения элементарных частиц друг в друга, и, грубо говоря, его квантовое число – изоспин, можно трактовать как вид частицы (т.е. в данном случае нарушается еще одна симметрия и мы становимся в состоянии различать частицы не только по массе и заряду, но и по «названию»)

Наконец, рассмотрим более подробно сильное взаимодействие. Сильное взаимодействие ответственно за устойчивость атомных ядер. Поскольку атомные ядра большинства химических элементов стабильны, то ясно, что взаимодействие, которое удерживает их от распада, должно быть достаточно сильным. Хорошо известно, что ядра состоят из протонов и нейтронов. Чтобы положительно заряженные протоны не разлетались, необходимо наличие сил притяжения между ними, превосходящих силы электростатического оттталкивания. Именно сильное взаимодействие является ответственным за эти силы притяжения.

Важнейшая особенность сильного взаимодействия - его короткодействующий характер. Оно заметно проявляется лишь на расстояниях порядка 10-13 см между взаимодействующими частицами, т. е. их радиус действия примерно в 100 000 раз меньше размеров атомов. На таких расстояниях силы сильного взаимодействия в 100—1000 раз превышают электромагнитные силы, действующие между заряженными частицами. С увеличением расстояния силы сильного взаимодействия быстро (приблизительно экспоненциально) убывают, так что на расстоянии несколько радиусов действия они становятся сравнимыми с электромагнитными взаимодействиями, а на ещё больших расстояниях практически исчезают. С короткодействующим характером сильного взаимодействия связан тот факт, что силы сильного взаимодействия, несмотря на их огромную роль в природе, были экспериментально обнаружены только в 20 в., в то время как более слабые дальнодействующие электромагнитные и гравитационные силы были обнаружены и изучены гораздо раньше (вследствие дальнодействующего характера электромагнитных и гравитационных сил происходит сложение сил, действующих со стороны большого числа частиц, и таким образом возникает взаимодействие между макроскопическими телами).

Для объяснения малого радиуса действия ядерных сил японский физик Х. Юкава в 1935 высказал гипотезу, согласно которой сильное взаимодействие между нуклонами (нуклонами называются протоны и нейтроны) происходит благодаря тому, что они обмениваются друг с другом некоторой частицей, аналогично тому, как электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами, согласно квантовой электродинамике осуществляется посредством обмена «частицами света» — фотонами. Предложенная Юкавой частица должна была обладать массой (в отличие от фотона) чтобы обеспечить маленький радиус действия ядерных сил (здесь используется знаменитый принцип неопределенности Гейзенберга). И такая частица была вскоре экспериментально обнаружена и названа пи-мезоном. Однако впоследствии была предложена более общая теория сильного взаимодействия, о ней ниже.

Для характеристики величины сильного взаимодействия сравним его с другими типами взаимодействий. Обычно для сравнения берут скорости процессов при кинетических энергиях (кинетической называется та часть энергии, которая отвечает движению частицы как целого) сталкивающихся частиц около 1 ГэВ, такие энергии характерны для физики элементарных частиц. При таких энергиях процессы, вызываемые сильными взаимодействиями происходят за времена порядка 10-23 с, электромагнитными – за времена порядка 10-20 с, слабыми – за времена порядка 10-9 с. Другая характеристика интенсивности взаимодействия - длина свободного пробега частицы в веществе. Сильно взаимодействующие частицы обычно задерживаются железной плитой толщиной в несколько десятков сантиметров. Нейтрино же, обладающее лишь слабым взаимодействием, проходило бы, не испытав ни одного столкновения, через железную плиту толщиной порядка миллиарда километров (оно, например, проходит сквозь Землю совершенно ее не замечая). Ещё более слабым является гравитационное взаимодействие, сила которого при энергии 1 ГэВ в 1033 раз (на 33 порядка) меньше, чем у слабого взаимодействия.

Первой обнаруженной на опыте внутренней симметрией сильного взаимодействия явилась зарядовая независимость ядерных сил, заключающаяся в том, что ядерное взаимодействие протонов с протонами, нейтронов с нейтронами и нейтронов с протонами в одинаковых состояниях одинаково, т. е. не зависит от электрического заряда нуклонов. Это позволило отделить сильное взаимодействие от электромагнитного. Далее оказалось, что сильное взаимодействие обладает и независимостью от изоспина, который, как мы помним, является квантовым числом слабого взаимодействия, а следовательно, сильное взаимодействие имеет другую природу нежели слабое. Значит сильное взаимодействие является фундаментальным, т.е. оно вводит еще одно новое квантовое число и позволяет проводить дальнейшую классификацию частиц.

В современной теории сильного взаимодействия, называемой квантовой хромодинамикой, это новое квантовое число называется цветом (только не надо искать какой-либо связи с обычным цветом, имеющим электромагнитную природу) и соответствует нарушению очередной внутренней симметрии. Теперь мы получаем возможность говорить о внутренней структуре частиц, доселе считавшихся элементарными. Квантовая хромодинамика существенно расширяет теорию Юкавы и сводит сильное взаимодействие к взаимодействию между кварками, из которых в частности состоят протоны и нейтроны. Вообще, все частицы, состоящие из кварков называют адронами – это те частицы, которые участвуют в сильном взаимодействии (кроме адронов существуют лептоны, не состоящие из кварков и не участвующие в сильном взаимодействии, например хорошо известный электрон).

Согласно квантовой хромодинамике кварки бывают трех цветов (еще раз, это просто название нового квантового числа) и взаимодействуют друг с другом обмениваясь глюонами. Глюон – безмассовая частица, являющаяся квантом сильного поля. Отличительная черта кварк-кваркового взаимодействия через глюоны состоит в том, что с уменьшением расстояния между кварками их взаимодействие ослабляется. Как же это согласуется с экспериментальным фактом, что ядерные силы, наоборот, на малых расстояниях сильны, но резко сходят на нет с увеличением расстояния между нуклонами? Дело в том, что с увеличением расстояния между кварками (составляющими один адрон) их взаимодействие настолько усиливается, что из вакуума рождается пара кварк-антикварк (виртуальный пи-мезон, тот самый, который был в теории Юкавы). Этот виртуальный пи-мезон за время определяемое принципом неопределенности должен быть поглощен другим адроном, что и происходит, делая картину взаимодействия совпадающей с моделью Юкавы.

Заканчивая на этом характеристику сильного взаимодействия можно сделать следующий вывод. Ясно вырисовывается, что каждое фундаментальное взаимодействие характеризуется нарушением соответствующей симметрии, которое проявляется в том, что мы становимся в состоянии различать частицы по соответствующим квантовым числам. Эта способность различения определяется образованием макроскопических систем, измеряющих соответствующее квантовое число. И нет никаких принципиальных препятствий тому, чтобы существовали (или могли быть созданы) такие системы, которые позволят регистрировать нарушения более высоких внутренних симметрий, а следовательно, чтобы существовали другие фундаментальные взаимодействия (которые в этом случае, видимо, перестанут называть фундаментальными). На данный же момент сильное взаимодействие и соответствующая ему симметрия характеризуют самый передний край наших знаний о строении материи.



Cообщения




[ Перейти в поток ] [ ] [ Узнавалки ] [ FAQ ]



Copyright © 97-2005 Глеб Зверев