Фундаментальные взаимодействия

Современная физика знает четыре фундаментальных взаимодействия (написаны в порядке возрастания силы), каждому из которых соответствуют свои частицы-переносчики:

• гравитационное — гравитон (спин 2, дальнодействующее)

• электромагнитное — фотон (спин 1, дальнодействующее)

• слабое — калибровочные W и Z бозоны (спин 1, близкодействующее)

• сильное — глюон (спин 1, близкодействующее)

Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, называются адронами. Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии, поскольку являются не составными (истинно элементарными) частицами.

Взаимодействия представляются полями с целочисленным спином, не подчиняющимися принципу Паули. Это означает, что они могут иметь много частиц в одном и том же состоянии.

Открытие антиматерии

Антивещество подразумевает под собой следующее строение атома: отрицательно заряженное ядро, состоящее из антипротонов и антинейтронов и положительно заряженные позитроны, которые вращаются вокруг ядра. В целом атом нейтрален. На данный момент обнаружены античастицы почти всех известных элементарных частиц (в том числе и бозонов). Взаимодействие частицы вещества и антивещества приводит к их аннигиляции (взаимоуничтожение с выбросом большого кол-ва энергии).

Открытый в 1925 году принцип запрета Паули, гласил, что фермионы (частицы, обладающие дробным спином), не могут находиться на одном энергетическом уровне (орбитали) атома, с одинаковым спином в кол-ве больше одной единицы. Само понимание спина пришло из этого же открытия. Добавление новой, спиновой степени свободы означало, что стало возможным расположить на каждой орбите два электрона со спинами, направленными в противоположные стороны.

Однако, правильное представление об электроне и других фермионах отсутствовало до 1928 г., пока Поль Дирак предложил теорию для описания этих частиц. В ней давалось математическое объяснение того, почему спин электрона равен 1/2, т. е. почему при однократном полном обороте электрона он не принимает прежний вид, а при двукратном принимает.

Но в теории был один серьёзный недостаток: в реальном мире энергия, ассоциируемая с каждой частицей, имеет положительное значение, а в первом варианте теории получалось, что электроны обладают отрицательной энергией. Вспомним, что электроны в атоме стремятся занять наиболее низкое энергетическое состояние, излучая фотоны в процессе перехода с более высоких на более низкие орбиты. Электрон «ищет» самое низкое энергетическое состояние, не запрещённое принципом запрета Паули. Но если энергия электрона отрицательна, то самого низкого энергетического состояния не существует: электрон будет «падать» всё ниже и ниже, а его энергия устремится к минус бесконечности. Высвобождающаяся при этом каскадном падении энергия будет уноситься фотонами, бесконечным количеством фотонов. Такое поведение электронов ставит всю теорию под угрозу полного провала, если только что-то не помешает электронам бесконечно проваливаться в пучину отрицательных энергий.

Ситуацию снова спасает Паули со своим принципом запрета. Предположим, что вакуум на самом деле заполнен электронами с отрицательными энергиями. На что будет похож такой мир? Добавим в него некоторое количество электронов с положительными энергиями - теперь эти электроны уже не могут переходить в более низкие энергетические состояния, потому что они уже заняты электронами с отрицательными энергиями. Теперь мы можем спокойно рассматривать только электроны с положительными энергиями, поскольку их сваливание в отрицательную энергетическую область надёжно блокируется наличием, так называемого моря Дирака, заполненного электронами с отрицательной энергией. Эта идея привела к одному неожиданному следствию. В обычном атоме электрон может поглотить фотон и перейти в более высокое энергетическое состояние. И тут Дирак показал себя во всём блеске. Он закономерно предположил, что нечто похожее может происходить и с электронами, имеющими отрицательную энергию и заполняющими вакуум: фотон может выбить электрон из моря Дирака, и тот приобретёт положительную энергию. Что же останется в море отрицательной энергии после того, как его покинет электрон? Дырка. Отсутствие электрона в море отрицательной энергии будет выглядеть как присутствие аналогичной электрону частицы, только имеющей положительный заряд. Таким образом, Дирак предсказал существование частицы, во всём идентичной электрону, за исключением её электрического заряда, который должен быть не отрицательным, а положительным. Это те самые позитроны, которые Фейнман впоследствии интерпретировал как электроны, движущиеся вспять во времени. Дирак же интерпретировал их как дырки в море электронов с отрицательной энергией. Кроме того, позитроны должны рождаться одновременно с электронами, главное, чтобы фотону хватило на это энергии.

Законы науки не отличают прошлого от будущего. Точнее говоря, законы науки не меняются в результате выполнения операций (или симметрий), обозначаемых буквами С, Р и Т.(С – замена частицы античастицей, Р – зеркальное отражение, когда левое и правое меняются местами, а Т – изменение направления движения всех частиц на обратное). Законы физики, управляющие поведением материи во всех обычных ситуациях, не изменяются и после выполнения только двух операций С и Р. Другими словами, жизнь будет одинакова и для нас, и для обитателей другой планеты, если они, во первых, являются нашим зеркальным отражением и, во вторых, состоят из антиматерии, а не из материи. Если законы науки не изменяет комбинация операций С и Р, а также тройная комбинация С, Р и Т, то эти законы не должны изменяться и при выполнении одной операции.

Предсказание Дираком существования антиматерии было одним из величайших моментов в истории физики. Оно не только привело к последующему экспериментальному открытию позитрона, но ознаменовало рождение нового направления в физике - квантовой теории поля, которая затем привела к появлению фейнмановских диаграмм и, в конце концов - к созданию Стандартной модели.

Разделение материи на вещество, которое имеет прерывное строение и непрерывное поле, потеряло абсолютный смысл. Каждому полю соответствуют кванты этого поля - электромагнитному – фотоны, ядерному – мезоны, гравитационному – гравитоны.