Универсальный механизм взаимодействия частиц в природе. Четыре вида фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое, гравитационное
Все взаимодействия могут быть сведены к четырем фундаментальным, то есть все процессы и явления в природе осуществляются в результате четырех фундаментальных взаимодействий.
Разделение взаимодействий на четыре типа связано с характерной величиной
вероятности (интенсивности) процессов, которые вызываются этими взаимодействиями.
Интенсивность взаимодействия определяется безразмерной константой взаимодействия,
характеризующей силу взаимодействия частиц и полей и скорость процессов при
кинетических энергиях сталкивающихся частиц ~ 1 ГэВ, характерных для физики
элементарных частиц. При других энергиях эти соотношения могут несколько измениться.
1. Сильное (цветовое, адронное) взаимодействие является короткодействующим и
обуславливает ядерные силы притяжения, связывающие нуклоны в ядре. Сильное
взаимодействие ранее отождествлялось с ядерным взаимодействием между нуклонами.
Начиная с 70-х гг., доминирует концепция, что сильное взаимодействие – взаимодействие
между кварками. Взаимодействие нуклонов отождествляется взаимодействием двух систем кварков, составляющих нуклоны.
2. Электромагнитное взаимодействие является дальнодействующим и обуславливает силы притяжения и отталкивания между заряженными частицами, которые действуют в атомах и молекулах. Электромагнитное взаимодействие играет основную роль в окружающем нас макроскопическом мире: к электромагнитным взаимодействиям сходятся все силы в природе (кроме тяготения): упругие, вязкие, молекулярные, химические и т.д. Если сильное взаимодействие на расстоянии ≥ 10-15 м исчезает, то электромагнитное взаимодействие является дальнодействующим и характеризуется бесконечным радиусом
взаимодействия.
3. Слабое взаимодействие является короткодействующим и ответственно за все виды β -распада частиц (включая К-захват) и все процессы взаимодействия нейтрино с веществом.
Слабое взаимодействие определяет также безнейтринные процессы распада, характеризующиеся относительно большим временем жизни распадающейся частицы −
порядка ~10-18 c и больше. К таким распадам относятся распады каонов и гиперонов.
Поэтому слабое взаимодействие иногда называют «распадным». В отличие от гравитационного взаимодействия, которое изменяет состояние движения частиц, слабое
взаимодействие изменяет внутреннюю структуру частиц. Слабым взаимодействиям подвержены все частицы кроме фотонов. Большая масса промежуточных бозонов (m = 80
ГэВ) обуславливает очень малый радиус их переброски (≤10-18 м). Слабые взаимодействия наименее исследованы. Например, до сих пор неизвестно могут ли они иметь характер сил притяжения и, следовательно, удерживать частицы вместе.
Интересной иллюстрацией указанных фундаментальных взаимодействий может
служить радиоактивный распад атомного ядра:
α-распад – проявление сильного взаимодействия.
β- распад – проявление слабого взаимодействия.
γ-излучение – проявление электромагнитного взаимодействия
В настоящее время электромагнитное и слабое взаимодействия рассматриваются как различные проявления единого электрослабого взаимодействия, подобно тому как электрическое и магнитное поля объединены в единое электромагнитное поле. Слабые силы на малых расстояниях (порядка радиуса их действия) одного порядка с электромагнитными.
Но они очень быстро (по экспоненте) убывают с расстоянием, так что на больших расстояниях оказываются много меньше электромагнитных.
4. Гравитационное взаимодействие универсально, действует между всеми элементарными частицами и является дальнодействующим. Однако, в процессах микромира вследствие его малости оно не играет существенной роли и не принимается во внимание.
Гравитоны – кванты гравитационного поля – безмассовые фундаментальные частицы, образно говоря, существуют только в уравнениях теоретической физики, так как из-за исключительной слабости гравитационного взаимодействия экспериментальное наблюдение гравитонов превосходит возможности современной экспериментальной физики. Здесь заметим, что гравитационные волны, идущие из центра Галактики, фиксировались американским физиком Вебером (1969 − 1970 г.г.), но опыты других групп физиков даже на более чувствительных установках не подтвердили этот результат и поэтому результаты Вебера не приняты современной физикой.