Четыре основных взаимодействия

Всё многообразие физических сил и взаимодействий, действующих в природе, сводится к четырем основным взаимодействиям: гравитационному, электромагнитному, слабому и сильному.

Гравитационное взаимодействие - сила всемирного тяготения действует на все тела и частицы. По сравнению с другими взаимодействиями оно очень мало и в мире элементарных частиц практически не сказывается. Тяготение становится заметным только на больших расстояниях (где другие силы не сказываются) и для тел большой массы.

Электромагнитные силы, в отличие от гравитационных, действуют не на все тела и частицы, а только на электрически заряженные. Было время, когда электрические и магнитные явления, известные с незапамятных времен, рассматривались как две различные силы. Но затем была установлена тесная взаимосвязь между ними: движение электрических зарядов порождает магнитное поле, а изменение магнитного поля создает электрический ток. В теории Максвелла (XIX век) электрические и магнитные явления были объединены в единое электромагнитное взаимодействие.

Еще более специфическим является слабое взаимодействие. Оно характеризует все типы процессов с участием нейтрино, в частности радиоактивный распад. В отличие от гравитационного и электромагнитного взаимодействий, которые изменяют только внешнее состояние движения частиц, слабое взаимодействие изменяет внутреннюю природу самих частиц (например, нейтрон превращается в протон, электрон и нейтрино). В обычных условиях оно слабее электромагнитного (и тем более сильного) - отсюда и его название.

Наконец, сильное взаимодействие характеризует ядерные силы, которые удерживают протоны и нейтроны в атомных ядрах.

Важной особенностью слабых и сильных взаимодействий является то, что они проявляются только на очень маленьких расстояниях. Радиус действия ядерных сил порядка 10-13 см, а для слабых взаимодействий - порядка 10-16 см. Поэтому в масштабах макромира эти взаимодействия не сказываются. Здесь действуют только гравитационные и электромагнитные силы.

Создатель теории относительности Альберт Эйнштейн мечтал о создании теории, в которой были бы объединены все силы природы. В течение многих лет, практически всю вторую половину жизни, он напряженно работал над созданием такой теории. Однако ему не удалось решить эту задачу. Она была решена уже после его смерти.

Вначале удалось объединить теории электромагнитного и слабого взаимодействия в единую теорию электрослабого взаимодействия. Затем она была объединена с теорией сильного взаимодействия. Эту синтетическую теорию физики назвали теорией Великого объединения. И, наконец, была создана (еще до конца не завершенная) теория Суперобъединения, которая интегрирует все виды физических взаимодействий в одно единое универсальное взаимодействие.

Важно подчеркнуть, что речь идет не просто о создании одной красивой теории, объединяющей все другие (это всегда хорошо и желательно), а о том, что в природе действительно существует одна Единая Универсальная Сила. Но проявляется она только при очень больших энергиях частиц и неимоверно высоких температурах, то есть при тех условиях, которые как раз и существовали в ранней Вселенной.

По мере изменения условий, в процессе эволюции Вселенной, эта единая сила расщепляется: вначале от нее отделяется гравитационное взаимодействие, затем сила великого объединения распадается на электрослабое и сильное взаимодействия. И, наконец, электрослабая сила расщепляется на слабое и электромагнитное взаимодействия. В условиях, с которыми мы обычно имеем дело, все четыре взаимодействия выступают как совершенно различные силы, хотя они и являются проявлениями одной Универсальной Силы Природы. И эти различные силы описываются соответствующими теориями.

Очень важное обстоятельство состоит в том, что невозможно добиться объединения всех взаимодействий в рамках трехмерного мира. Теория Суперобъединения требует введения многомерных пространств. Наименьшее число пространственных измерений, для которых удается построить теорию, равно 10. То есть мы имеем 10-ти мерное пространство, или 11-ти мерный пространственно-временной мир. Отсюда следует, что КОСМОС МНОГОМЕРЕН.

НАШ ФИЗИЧЕСКИЙ МИР ВОЗНИКАЕТ ИЗ МНОГОМЕРНОГО. Как? Мы этого пока не знаем. Но важно, что существуют ДРУГИЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ и соответствующие им ДРУГИЕ МИРЫ. Там могут быть совсем другие формы материи и виды энергии, там могут действовать совсем другие законы, о которых мы пока ничего не знаем. Но, возможно, другим, более развитым цивилизациям они уже известны. Это надо иметь в виду. Но продолжим нашу экскурсию.

В соответствии с типами взаимодействий, все элементарные частицы делятся на два больших класса: сильно взаимодействующие частицы, или адроны, и частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях - лептоны. К последним относятся электрон, тау-лептон и три вида нейтрино (а также соответствующие им античастицы). Что касается адронов, то они, строго говоря, не являются элементарными, ибо, как было установлено, они состоят из фундаментальных частиц - кварков. В условиях, которые существуют во Вселенной в современную эпоху, кварки в свободном виде не встречаются, они существуют только в составе адронов. Но в ранней Вселенной кварки существовали в свободном виде. Силы, которые удерживают кварки в составе адронов, также относятся к сильному взаимодействию.

Адроны, в свою очередь подразделяются на два вида частиц: мезоны и барионы. Каждый мезон состоит из кварка и антикварка, а барион - из трех кварков. К барионам относятся протоны и нейтроны, которые входят в состав атомных ядер (а также нестабильные частицы - гипероны).

Физические взаимодействия осуществляются с помощью частиц-переносчиков. Переносчиком гравитационного взаимодействия являются кванты гравитационного поля - гравитоны, переносчиками электромагнитного взаимодействия - фотоны, а переносчиками сильного взаимодействия - глюоны. В отличие от частиц материи - фермионов, к которым относятся и адроны и лептоны, частицы переносчики называют бозонами. Кроме перечисленных выше (гравитонов, фотонов и глюонов) существуют и другие виды бозонов, но мы на них останавливаться не будем. На этом мы закончим экскурсию и вернемся к ранней Вселенной.