Фундамента́льные взаимоде́йствия , также известные как фундаментальные силы — качественно различающиеся типы взаимодействия элементарных частиц и составленных из них тел.

На сегодня достоверно известно существование четырёх фундаментальных взаимодействий (не считая поля Хиггса ):

• гравитационного ;
• электромагнитного ;
• сильного ;
• слабого .

При этом электромагнитное и слабое взаимодействия являются проявлениями единого электрослабого взаимодействия .

Ведутся поиски других типов фундаментальных взаимодействий, как в явлениях микромира, так и в космических масштабах, однако пока какого-либо другого типа фундаментального взаимодействия не обнаружено (см. Пятая сила ).

В теориях Великого объединения предполагается существование электроядерного взаимодействия . Возможно, нарушение CP-инвариантности вызывается сверхслабым взаимодействием .

Сводная таблица

Взаимодействие	Текущее описание теорией	Заряд	Частица-переносчик	Относительная сила	Зависимость от расстояния	Радиус воздействия ( м )
Гравитация	Общая теория относительности (ОТО)	Масса	Гравитон (гипотетич.)	1	${\displaystyle {\frac {1}{r^{2}}}}$	∞
Слабое	Теория электрослабого взаимодействия (ТЭВ)	Слабый изоспин	W + -, W − - и Z 0 -бозоны	10 25	${\displaystyle {\frac {1}{r}}\,e^{-m_{W,Z}\,r}}$	10 −18
Электромагнитное	Квантовая электродинамика (КЭД)	Электрический заряд	Фотон	10 36	${\displaystyle {\frac {1}{r^{2}}}}$	∞
Сильное	Квантовая хромодинамика (КХД)	Цветовой заряд	Глюоны	10 38	${\displaystyle {1}}$	10 −15

История

Ньютон в своём втором законе (1687 г. ) постулировал, что причиной изменения движения тел является сила . Физикам было известно множество самых разнообразных сил: сила тяжести , сила натяжения нити, сила сжатия пружины , сила столкновения тел , сила трения , сила сопротивления воздуха , сила взрыва и т. д.

Исследования XVIII—XIX веков привели к открытию атомарной структуры вещества , и стало понятно, что все разнообразие этих сил есть результат взаимодействия атомов друг с другом. Поскольку основной вид межатомного взаимодействия — электромагнитное , то, как оказалось, большинство этих сил — лишь различные проявления электромагнитного взаимодействия . Одно из исключений составляет, например, сила тяжести, причиной которой является гравитационное взаимодействие между телами, обладающими массой .

Таким образом, к началу XX века выяснилось, что все известные к тому моменту силы сводятся к двум фундаментальным взаимодействиям: электромагнитному и гравитационному.

В 1930-е годы физики обнаружили, что ядра атомов состоят из нуклонов ( протонов и нейтронов ). Стало понятно, что ни электромагнитные, ни гравитационные взаимодействия не могут объяснить, что удерживает нуклоны в ядре. Было постулировано существование нового фундаментального взаимодействия: сильного взаимодействия . Однако в дальнейшем оказалось, что и этого недостаточно, чтобы объяснить некоторые явления в микромире. В частности, было непонятно, что заставляет распадаться свободный нейтрон . Тогда было постулировано существование слабого взаимодействия , и этого оказалось достаточно для описания всех до сих пор наблюдавшихся явлений в микромире.

После открытия бозона Хиггса поле Хиггса стали иногда называть пятым фундаментальным взаимодействием .

Создание единой теории фундаментальных взаимодействий

Первой из теорий взаимодействий стала теория электромагнетизма , созданная Максвеллом в 1863 году . Затем в 1915 году Эйнштейн сформулировал общую теорию относительности , описывающую гравитационное поле . Появилась идея построения единой теории фундаментальных взаимодействий (которых на тот момент было известно только два), подобно тому как Максвеллу удалось создать общее описание электрических и магнитных явлений . Такая единая теория объединила бы гравитацию и электромагнетизм в качестве частных проявлений некоего единого взаимодействия.

В течение первой половины XX века ряд физиков предприняли многочисленные попытки создания такой теории, однако ни одной полностью удовлетворительной модели выдвинуто не было. Это, в частности, связано с тем, что общая теория относительности и теория электромагнетизма различны по своей сути. Тяготение описывается искривлением пространства-времени , и в этом смысле гравитационное поле условно нематериально (эмпирически недискретно) , но, как и прочие формы взаимодействия, распространяется с предельно допустимой скоростью света (см. Скорость гравитации ), в то время как электромагнитное поле являет все необходимые атрибуты материи .

Во второй половине XX столетия задача построения единой теории осложнилась необходимостью внесения в неё слабого и сильного взаимодействий, а также необходимостью квантования теории.

В 1967 году Саламом и Вайнбергом была создана теория электрослабого взаимодействия , объединившая электромагнетизм и слабые взаимодействия. Позднее в 1973 году была предложена теория сильного взаимодействия ( квантовая хромодинамика ). На их основе была построена Стандартная модель элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабые и сильное взаимодействия.

Экспериментальная проверка Стандартной модели заключается в обнаружении предсказанных ею частиц и их свойств. В настоящий момент открыты все элементарные частицы Стандартной модели.

Таким образом, в настоящее время фундаментальные взаимодействия описываются двумя общепринятыми теориями: общей теорией относительности и Стандартной моделью . Их объединения пока достичь не удалось из-за трудностей создания квантовой теории гравитации . Для дальнейшего объединения фундаментальных взаимодействий используются различные подходы: теории струн , петлевая квантовая гравитация , а также М-теория .

Гипотеза о количестве фундаментальных физических взаимодействий — почему в природе именно то количество взаимодействий, которое предполагают существующими — была высказана относительно недавно в МГУ . Предполагается, что количество фундаментальных взаимодействий зависит от вида коэффициента затухания в рассматриваемых уравнениях колебаний. При этом некоммутативная структура этого коэффициента свидетельствует в пользу существования поля Хиггса в качестве фундаментального взаимодействия .

См. также

Примечания

Ссылки