Мир вокруг нас
Шрифт:
Следующий вид полей, из числа открытых в 20-м веке, который сейчас рассмотрим — носит название слабого. Этим видом полей, и соответственно, слабым зарядом — обладают практически все виды элементарных частиц (в т. ч. электроны, протоны, нейтрино и т. п.).
Слабое поле — оправдывает своё название, т. к. по силе (= константе взаимодействия) — оно является почти самым слабым (лишь гравитационное поле слабее его).
Вдобавок к этому, слабое поле — имеет невероятное, сверхбыстрое убывание напряжённости (силы) с расстоянием, — ещё более быстрое, чем у сильных (ядерных) полей:
Действие слабого поля является заметным лишь на расстояниях в 1 000 раз меньших, чем расстояния, на которых эффективно действуют сильные (ядерные) поля. Поэтому слабое поле —
Слабое поле традиционно рассматривается как не связанное с притягивающими или отталкивающими зарядами, но приводящее лишь к превращениям частиц (например, распаду (свободного) нейтрона, и т. п.). Но с другой стороны, отталкивающее действие, обусловленное слабым полем — можно видеть, например, в известном явлении упругого столкновения нейтрино с частицами или ядрами, приводящем к обмену импульсами (т. н. упругое рассеяние нейтрино).
Далее: Подробнее и более глубоко, слабые поля, как и другие, как уже говорилось, рассматриваются в квантовой механике и теории относительности, о чём — чуть позже.
Глюонные поля
Последний вид полей, из числа открытых в 20-м веке — получил название глюонного поля. Оно определённым образом связано с ядерным (сильным) полем, о чём подробнее — чуть позже. Глюонные поля — связывают кварки друг с другом в сложных элементарных частицах (протонах, гиперонах, мезонах и т. п.). Силы глюонного притяжения между кварками, как считается — настолько сильны, что до сих пор, учёным не удалось вырвать ни одного кварка ни из одной сложной элементарной частицы. Т. е. ни один кварк не получен в свободном состоянии! Теоретическое объяснение этому — нашлось очень удивительное: предполагается, что напряжённость глюонных полей, в отличие от всех других видов полей, с расстоянием — не падает, а наоборот, возрастает. Оказывается, возможно и такое…
Получается, что если пытаться разорвать сложную элементарную частицу (например, протон), то энергия, которую мы будем прилагать, будет тратиться на увеличение напряжённости глюонного поля, и т. о. чем дальше кварки будут отдаляться друг от друга — тем сильнее они будут притягиваться друг к другу (и противодействовать разрыву сложной элементарной частицы (также энергия будет тратиться на рождение пар частица-античастица, и т. п.)). Поэтому разорвать сложную частицу на отдельные кварки — оказывается невозможно даже теоретически. Сложные элементарные частицы, в результате, несмотря на то, что являются, как известно, состоящими из кварков, могут считаться такими же элементарными, как и простые элементарные частицы (т. е. электроны, нейтрино и т. п.).
В целом, глюонные поля — самые сильные поля, имеющиеся в природе. Почему же эти поля столь малозаметны в окружающем Мире, на макроуровне? Дело в том, что глюонные поля — обладают удивительным свойством насыщаемости: они способны связывать лишь кварки в отдельной сложной элементарной частице, а на кварки соседних сложных элементарных частиц, несмотря на значительно большие расстояния до них и возрастание (или как минимум, неуменьшение) силы с расстоянием, глюонные поля, в целом — не действуют.
Объединение полей
Итак, мы рассмотрели, в общих чертах, шесть известных (доказанных) видов полей. Но почему существует именно шесть видов, а не одно, единое поле? Какова причина такого разнообразия, и всегда ли оно существовало? Поиск ответов на эти вопросы — ведётся уже давно. Попытки свести различные виды полей к разным сторонам (проявлениям) единого поля — уже имеют определённый успех.
Так, считается, что единое поле могло существовать как единое целое — на заре нашего Мироздания, т. е. во времена Большого Взрыва. По мере физического расширения окружающего Мира, последовавшего за ним, и падения плотности энергии в пространстве, единое поле постепенно разделилось на шесть полей, известных в современности. В качестве частичной
Возможность объединения полей т. о. — впервые подтвердилась при открытии, при помощи ускорителя заряженных частиц, новых элементарных частиц — W- и Z-бозонов (в 1983 году), существование которых ранее было предсказано в рамках теории, объединившей электромагнитное и слабое взаимодействия в единое электрослабое поле (теория Вайнберга-Глэшоу-Салама), с привлечением, дополнительно, поля Хиггса. Подробнее мы на этом остановимся позже.
Также, ещё ранее (в 19-м веке) были объединены магнитные и электрические поля — в электромагнитное поле (согласно наблюдениям, и в теории Фарадея-Максвелла). При этом, магнитное поле — было представлено как вторичное, производное по отношению к электрическому: например, магнитное поле, окружающее проводник с током — было объяснено как результат направленного движения электрических зарядов (электронов); также и магнитные моменты частиц — удалось представить (условно) как результат вращения элементарной частицы, и следовательно, тоже выводимыми из электрического поля.
(Ещё до этого (и до теории поля), = более ранним примером объединения сил — явилась сила всемирного тяготения (впоследствии — гравитационное поле): Ньютон обнаружил связь между разными, на первый взгляд, силами (ускорением свободного падения, и силой, связывающей планеты), которые оказались разными проявлениями единой силы, названной силой всемирного тяготения (гравитацией)).
Также, впоследствии, были объединены ядерное (сильное) и глюонное поля: в рамках квантовой хромодинамики (теории, описывающей глюонное поле при помощи квантовой механики), ядерное поле оказалось остаточным взаимодействием, выводимым из глюонного поля (в некоторой аналогии с тем, как силы притяжения, действующие между молекулами (силы Ван-дер-Ваальса) — остаточны по отношению к электромагнитным взаимодействиям внутри молекул). Глюонное поле, оказавшись т. о. первичным, фундаментальным, по отношению к ядерному, переняло у последнего название сильного поля (глюонное и ядерное поля — стали т. о. разными его проявлениями).
В современности, в целом, т. о. имеются следующие объединённые взаимодействия (поля): гравитационное (объединённое Ньютоном), электрослабое поле (магнитное, электрическое и слабое) и сильное поле (ядерное и глюонное).
Ныне, теоретики работают над дальнейшим объединением электрослабого поля с сильным полем, и далее — с полем гравитационным, что пока остаётся в рамках теории (или гипотез, т. е. пока не доказано экспериментально), и будет рассматриваться — несколько позже.
Далее: В целом, теория поля — преимущественно описывает (констатирует) свойства полей, но не объясняет их. Более продвинутые и глубокие представления о полях (и о физическом вакууме) — были созданы уже в рамках других неклассических дисциплин: в квантовой механике и теории относительности. Там возникли более сложные (квантовые и пространственно-временные) представления о полях.
Сама же теория поля, после этого, впрочем — не сошла в историю, а осталась действующей дисциплиной. Занимается она теперь изучением, как и раньше, более поверхностной сути (и свойств) полей, не касаясь более продвинутых (квантовых и пространственно-временных) представлений о них. Т. е. теория поля рассказывает о полях то, что нужно узнать прежде, чем приступать к изучению более сложных представлений.
Так и мы — рассмотрели представления об известных полях сперва в рамках теории поля, а теперь — переходим к рамкам квантовой механики, в которой, помимо более глубокого рассмотрения полей, изучается также поведение элементарных частиц, и т. п. вопросы, касающиеся фундамента окружающего Мира.