ЭССЕ ЕНКМ. Эссе по фундаментальным взаимодействиям и объединению фундаментальных взаимодействий
 Скачать 15.21 Kb.
|
|
Эссе по фундаментальным взаимодействиям и объединению фундаментальных взаимодействий Со школьной физики мы сталкиваемся с понятием «сила». Силы бывают разные: есть сила притяжения, сила трения, сила качения, сила упругости. Существует множество разных сил. Не все из этих сил являются фундаментальными — очень часто сила является вторичным явлением. Например, сила трения является вторичным явлением — на самом деле это взаимодействие молекул. И даже взаимодействие молекул может быть вторичным. Например, в молекулярной физике есть силы Ван-дер-Ваальса. Эти силы являются вторичным следствием электромагнитных взаимодействий. Какие силы природы называют фундаментальными? На каком принципе строятся фундаментальные взаимодействия? На эти вопросы я отвечу в данном эссе. Пример фундаментальных сил природы — это тяготение. Со школы известен закон всемирного тяготения Ньютона, который теперь уже получил обобщение в уравнениях Эйнштейна — сейчас у нас есть теория тяготения Эйнштейна. Сила тяготения — это тоже фундаментальные взаимодействия в природе. И когда-то казалось, что существуют только эти две фундаментальные силы. Но впоследствии поняли, что это не так. В частности, когда было открыто атомное ядро и возникла проблема понять, почему же частицы удерживаются внутри ядра и не разлетаются, было введено понятие ядерных сил. Эти ядерные силы были измерены, поняты, описаны. Но впоследствии оказалось, что они тоже нефундаментальны — ядерные силы в некотором смысле напоминают силы Ван-дер-Ваальса. Истинно фундаментальными силами, обеспечивающими сильное взаимодействие, являются силы между кварками. Кварки взаимодействуют друг с другом, и как вторичный эффект друг с другом взаимодействуют протоны и нейтроны в ядре. Фундаментальным взаимодействием является взаимодействие кварков с помощью обмена глюонами — это третья фундаментальная сила в природе. В современном мире есть четыре фундаментальных взаимодействия. Четыре фундаментальных взаимодействия — электромагнитное, сильное, слабое и гравитационное — строятся на одном принципе. Этот принцип состоит в том, что сила между частицами возникает за счет обмена некоторым посредником, переносчиком взаимодействия. Все взаимодействия — это акт обмена некоторыми частицами. Всякое взаимодействие связано с симметрией. Симметрия говорит о том, сколько таких частиц и какова у них масса. Если симметрия точная — масса нулевая. У фотона масса 0, у глюона масса 0. Если симметрия нарушена — масса ненулевая. У промежуточных векторных бозонов масса ненулевая, там симметрия нарушена. Гравитационная симметрия не нарушена — у гравитона тоже масса 0. Эти четыре фундаментальных взаимодействия объясняют все, что мы видим. Все остальные силы — это вторичный эффект этих взаимодействий. Но в 2012 году была обнаружена новая частица, которая стала очень знаменитой, — это так называемый хиггсовский бозон. Хиггсовский бозон тоже является переносчиком взаимодействия между кварками и между лептонами. Поэтому сейчас уместно говорить о том, что появилась пятая сила, переносчиком которой является хиггсовский бозон. Здесь тоже симметрия нарушена — хиггсовский бозон является массивной частицей. Тем самым число фундаментальных взаимодействий — в физике частиц обычно употребляется слово не «сила», а «взаимодействие» — достигло пяти. Все фундаментальные взаимодействия сейчас строятся по единому принципу, и в этом смысле есть единство природы. Иногда возникает вопрос: нельзя ли объяснить каким-либо образом, сколько взаимодействий есть в природе, то есть понять причину, почему их четыре или почему их пять, а может быть, еще есть больше? Существуют различные версии того, как можно было бы объяснить наличие определенного числа фундаментальных взаимодействий. Такие теории часто называют теориями Великого объединения. Эти теории объединяют между собой различные виды взаимодействий в одно. Это напоминает растущее дерево: есть единый ствол, потом он ветвится, и получаются различные ветви. Идея состоит примерно в этом же: есть единый корень всех взаимодействий, единый ствол, а потом в результате нарушения симметрии этот ствол начинает ветвиться, и образуется несколько фундаментальных взаимодействий, которые мы экспериментально наблюдаем. Проверка этой гипотезы требует физики при очень высоких энергиях, которые недоступны современному эксперименту и, вероятно, никогда не будут доступны. Но зато можно обойти эту проблему. В конце концов, у нас есть естественный ускоритель — это Вселенная. Некоторые процессы, идущие во Вселенной, позволяют нам проверить смелые гипотезы о том, что есть единый корень всех взаимодействий. Другая очень интересная задача в понимании взаимодействий в природе — понять, как гравитация соотносится со всеми остальными взаимодействиями. Гравитация стоит несколько особняком, хотя принцип построения теории очень похож. В свое время Эйнштейн пытался построить единую теорию гравитации и электромагнетизма. Тогда это казалось весьма реальным, но теории так и не получилось. Сейчас мы немного больше знаем. Мы знаем, что есть еще сильное взаимодействие, слабое взаимодействие, поэтому, если сейчас строить единую теорию, казалось бы, надо включить все эти взаимодействия вместе, но тем не менее такой единой теории до сих пор не создано, и до сих пор нам не удается объединить гравитацию с остальными взаимодействиями. Все взаимодействия, кроме гравитации, подчиняются законам квантовой физики — это квантовая теория. Все частицы — это кванты определенного поля. Квантовой гравитации пока не существует, пока ее создать не удается. В чем причина, что мы делаем не так, чего мы не понимаем — все это пока остается загадкой. Но количество фундаментальных взаимодействий, которое уже открыто, говорит о том, что, вероятно, какая-то единая схема существует. |