Фундаментальні взаємодії

Відео: Це цікаво 677: Теорія струн простими словами

фундаментальні взаємодії - різні типи взаємодії, не зводяться одна до одної, елементарних частинок і складених з них тел. На сьогодні достеменно відомо існування чотирьох фундаментальних взаємодій: гравітаційного, електромагнітного, сильного і слабкого взаємодій. Ведуться пошуки інших типів взаємодій, як в явищах мікросвіту, так і на космічних масштабах, проте поки існування будь-якого іншого типу взаємодії не виявлено.
У фізиці причиною зміни руху тіл є сила (див. Другий закон Ньютона). Досліджуючи оточуючий нас світ, ми можемо помітити безліч найрізноманітніших сил: сила тяжіння, сила натягу нитки, сила стиснення пружини, сила, що виникає при зіткненні тіл, сила тертя, сила опору повітря, сила вибуху і т.д. Однак як тільки була з`ясована атомарна структура речовини, стало зрозуміло, що все розмаїття цих сил є результат взаємодії атомів один з одним. Оскільки атоми взаємодіють в основному через електростатичне взаємодія електронних оболонок, то, як виявилося, всі ці сили - лише різні прояви електромагнітної взаємодії. Єдиний виняток - сила тяжіння, причиною якої є гравітаційна взаємодія між двома тілами, що володіють масою.
Отже, до початку 20-го століття з`ясувалося, що всі відомі на той час сили зводяться до двох фундаментальних взаємодій: електромагнітної і гравітаційної.
У 1930-і роки з`ясувалося, що атоми містять в собі ядра, які в свою чергу складаються з нуклонів (протонів і нейтронів). Ясно, що ні електромагнітні, ні гравітаційні взаємодії не можуть пояснити, що утримує нуклони в ядрі. Було постулировано існування нового фундаментального взаємодії: сильної взаємодії. Однак в подальшому виявилося, що і воно здатне пояснити все явища в мікросвіті, зокрема, не було зрозуміло, що змушує розпадатися вільний нейтрон. Так було постулировано існування слабкої взаємодії, і як виявилося, цього достатньо для опису всіх взаємодій, до сих пір спостерігалися в мікросвіті.


Першою з теорій взаємодій стала теорія електромагнетизму, створена Максвеллом в 1863 році. Потім в 1915 Ейнштейн сформулював загальну теорію відносності, що описує гравітаційне поле. З`явилася ідея побудови єдиної теорії фундаментальних взаємодій (яких на той момент було відомо тільки два), подібно до того, як Максвеллові вдалося створити загальний опис електричних і магнітних явищ. Така єдина теорія об`єднала б гравітацію і електромагнетизм як приватних проявів якогось єдиного взаємодії.
Протягом першої половини XX століття ряд фізиків зробили численні спроби створення такої теорії, однак жодної повністю задовільною моделі висунуто не було. Це, зокрема, пов`язано з тим, що загальна теорія відносності і теорія електромагнетизму різні за своєю суттю. Тяжіння описується викривленням простору-часу, і в цьому сенсі гравітаційне поле нематеріальне, тоді як електромагнітне поле є матерією.
У другій половині XX століття завдання побудови єдиної теорії ускладнилася необхідністю внесення в неї слабкого і сильного взаємодій, а також квантування теорії.


У 1967 році Саламом і Вайнбергом була створена теорія електрослабкої взаємодії, що об`єднала електромагнетизм і слабкі взаємодії. Пізніше в 1973 році була запропонована теорія сильної взаємодії (квантова хромодинамика). На їх основі була побудована Стандартна Модель елементарних частинок, що описує електромагнітну, слабку і сильну взаємодії.
Експериментальна перевірка Стандартної Моделі полягає в виявленні передбачених нею частинок і їх властивостей. Зараз відкриті всі елементарні частинки Стандартної Моделі, за винятком бозона Хіггса.
Таким чином, в даний час фундаментальні взаємодії описуються двома загальноприйнятими теоріями: загальною теорією відносності та Стандартної Моделлю. Їх об`єднання поки досягти не вдалося через труднощі створення квантової теорії гравітації. Для подальшого об`єднання фундаментальних взаємодій використовуються різні підходи: теорії струн, петлевая квантова гравітація, теорії бран, а також перспективна М-теорія.


Увага, тільки СЬОГОДНІ!