Схема 26. Основные сравнительные характеристики фундаментальных взаимодействий

Вид, константа, радиус взаимодействия, примеры проявления	Краткое описание
Гравитационное Квз=10-39 Rвз=¥; взаимодействие всех тел	v Имеет универсальные характер и выступает в виде притяжения. Оно является самым слабым из всех остальных взаимодействий. v В классической физике описывается законом Всемирного тяготения И. Ньютона. v В общей теории относительности является проявлением кривизны пространственно-временного континуума и описывается уравнением гравитации А. Эйнштейна. v В квантовой теории квантами (переносчиками) гравитационного поля взаимодействия являются гравитоны
Электромагнитное Квз=10-2 Rвз=¥; взаимодействие электрических зарядов, токов, электрических, магнитных и электромагнитных полей	v Имеет универсальный характер и может выступать либо как притяжение, либо как отталкивание. Оно определяет возникновение атомов, молекул и макроскопических тел. v В классической физике описывается электростатикой, магнитостатикой и электродинамикой. Проявляется в форме электрических, магнитных и электромагнитных полей. v В квантовой теории описывается квантовой электродинамикой и квантами (переносчиками) фундаментального электромагнитного поля являются фотоны.
Слабое Квз=10-14 Rвз=10-18м; взаимодействие элементарных частиц при b+ и b- распаде и взаимопревращаемости частиц	v Действует только в микромире и описывает взаимопревращения элементарных частиц. Оно короткодействующее и характеризует все виды бета-превращений. v Взаимодействие слабее электромагнитного, но сильнее гравитационного. v Описывается теорией, созданной в 1967 г. С. Вайнбергом, Ш. Глэшоу и А. Саламом, предсказавшими слабые нейтральные токи, т.е. доказавшими, что квантами (переносчиками) данного поля взаимодействия являются промежуточные векторные бозоны.
Сильное Квз=1 Rвз=10-15м; взаимодействие нуклонов в ядрах атомов, а также взаимодействие адронов	v Действует только в микромире и обеспечивает связь между нуклонами в ядре и связь кварков в адронах. v Является самым сильным из всех взаимодействий, что подчеркнуто в названии. Вначале рассматривали как сильное - взаимодействие между нуклонами. А квантами поля сильного взаимодействия считали p-мезоны, или пионы. v В рамках квантовой хромодинамики, основоположником которой является М. Гелл-Манн, было установлено, что все микрочастицы, участвующие в сильном взаимодействии, - адроны состоят из кварков, а кварки связываются друг с другом с помощью глюонов, которые в настоящее время и являются переносчиками (квантами) поля сильного взаимодействия.

В настоящее время известные фундаментальные взаимодействия считаются проявлением единого фундаментального взаимодействия. Такой подход задает современная физическая исследовательская программа – единая теория поля.

Уже имеются отдельные фрагменты единой теории: например, теория объединения электромагнитного и слабого, экспериментально исследованная с помощью ускорителей, а также теория великого объединения электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий.

Основополагающие гипотезы этих теорий и соответствующий математический («кодовый») аппарат исследуются на большом адронном коллайдаре (БАК) (англ. сollider – сталкиватель), в котором пучки частиц (протонов или тяжелых ионов свинца) ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных точках столкновения. Основным предметом исследования на БАК является физический вакуум. Используемые энергии – 0,9×2,36 и 7 ТэВ планируется довести до 14 ТэВ (1 ТэВ=10¹²эВ=10³ГэВ).

Объединение всех фундаментальных взаимодействий основано на том, что различия между ними проявляются только при малых энергиях; при больших энергиях они объединяются в единое взаимодействие: электромагнитное и слабое взаимодействия объединяются при энергиях порядка 10² ГэВ, что соответствует температуре 10¹⁵ К; электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия объединяются при энергиях порядка 10¹⁴ ГэВ, что соответствует температуре 10²⁷ К; все виды взаимодействий, вероятно, объединяются при энергиях порядка 10¹⁹ ГэВ, что соответствует температуре 10³² К (такие условия соответствуют ранней стадии возникновения Вселенной в стандартной теории «Большого взрыва»).

Обратим внимание, что используемые энергии на большом адронном коллайдаре (БАК) достаточны для проверки теории электрослабого взаимодействия, т.е. объединения электромагнитного и слабого взаимодействий. При этом возникает возможность обнаружения бозонов Хиггса. Бозон Хиггса является квантом так называемого поля (конденсата) Хиггса, при прохождении через которое частицы испытывают сопротивление, представляемое как механизм возникновения массы во Вселенной. Хиггсовский механизм нарушения симметрии электрослабого взаимодействия и его изучение возможно натолкнет физиков на новую теорию объединения, более глубокую, чем стандартная модель, представленная схематически в схеме 27. Сам коллайдер назван большим из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя 26 659 м; адронным – из-за того, что ускоряет адроны, т.е. тяжелые частицы, состоящие из кварков, что позволяет исследовать кварко-глюонную плазму.

Схема 27. Структура теории «Великого объединения».

Схема ТВО не включает объединения гравитационного взаимодействия с другими взаимодействиями из-за практически отсутствующего воздействия гравитации не интенсивность остальных взаимодействий и на ход реакций превращения элементарных частиц, хотя теоретические схемы такого «Сверхвеликого объединения» разрабатываются на основе объединения супергравитации с внутренней симметрией ОТО. Данная теория вводит частицы-переносчики со спином S=2 (гравитоны) и частицы со спином S=3/2 (гравитино). Важную роль в схемах такого объединения играет теория струн, а также новые представления о суперсимметрии, связывающей между собой бозоны (переносчики) и фермионы (кварки и лептоны).

Итак, в теориях объединения фундаментальных взаимодействий особая роль принадлежит систематике элементарных частиц с выделением фундаментальных микрочастиц (см. схему 28).

Схема 28. Систематика фундаментальных микрочастиц.

Переносчики (кванты) взаимодействий	Лептоны	Кварки
Гравитоны; фотоны; тяжелые промежуточные бозоны; глюоны (восемь цветных глюонов)	Электроны, мюоны, тяжелый тау-лептон, электронное нейтрино, мюонное нейтрино, тау-лептонное нейтрино, античастицы лептонов	Шесть типов кварков по аромату, в каждом из которых различают три цвета; античастицы кварков

Как мы отмечали ранее, различают, исходя из целочисленного или полуцелочисленного значения собственного момента импульса микрочастицы – спина, бозоны – частицы «коллективисты» и фермионы – частицы «индивидуалисты». При этом если опираться на систематику фундаментальных микрочастиц, то фермионы задают вещественную форму материи, а бозоны – полевую.