Материал: Єдині теорії взаємодій

Єдині теорії взаємодій

Зміст

Вступ

. Фундаментальні взаємодії

.1 Сильна взаємодія

.2 Електромагнітна взаємодія

.3 Слабка взаємодія

.4 Гравітаційна взаємодія

. Закони збереження у фізиці високих енергій

. Основи кваліфікації суб’ядерних частинок

. Кварковий рівень матерії

.1 Кваркова модель суб’ядерних частинок

.2 Колір кварків

.3 Особливості сильної взаємодії

.4 Будова адронів

.5 Кварк-глюонна плазма

. Єдині теорії взаємодій

.1 Єдність взаємодій у природі

.2 Єдина константа

.3 Єдиний тип симетрії

.4 Велике об’єднання

.5 Супероб’єднання

. Зв’язок фізики частинок і космології

Висновок

Список використаної літератури

Вступ

Фізика - це наука про природу. Вона виникла як результат споконвічного прагнення людей зрозуміти й описати світ, що її оточує. Світ надзвичайно складний і цікавий. Людина, як частина цього світу завжди намагалася зрозуміти його будову. Чи можливо його пізнати? Сьогодні ми знаємо, що світ пізнаваний і що багато чого вже відомо.

Найважливішим є те, що всі навколишні тіла складаються з атомів^. Атоми є цеглинками світобудови, вони знаходяться у безперервному русі, притягаються на великих відстанях, але відштовхуються, коли їх намагатися наблизити один до одного. Розміри атомів приблизно 10^-10 м.

Під фізичною картиною світу у найбільш широкому значенні розуміють особливий самостійний вид знань - найзагальніше теоретичне знання у фізиці, що є основою для побудови наукових теорій. Фізична картина світу, з одного боку, збагачує всі раніше отримані знання про природу, з іншого - вводить у фізику нові ідеї і поняття, принципи і гіпотези, яких до цього не було і які докорінно змінюють основи фізичного теоретичного знання: старі фізичні поняття і принципи ламаються, нові виникають, відповідно картина світу змінюється.

Закони Всесвіту на мікрорівні вивчає фізика елементарних частинок (фізика високих енергій). Фізика високих енергій - одна з областей, що знаходиться зараз на передньому фронті фундаментальної науки, що вивчає будову речовини на найглибшому структурному рівні, встановлює закони збереження та дозволяє класифікувати елементарні частинки.

Загалом елементарні частинки проявляються в чотирьох типах взаємодій: сильному, слабкому, електричному та гравітаційному. Два останніх проявляються на значних відстанях і тому їм підпорядковані процеси не лише мікросвіту, а й макротіл, планет, зірок, галактик (макро- і мегасвіт). Сильні й слабкі взаємодії притаманні лише процесам мікросвіту. Великим успіхом на цьому шляху було відкриття кваркової структури адронів. І хоч кварки не були виявлені у вільному стані, проте експериментально зафіксовані. Саме кварки, лептони й відіграють роль базисних об'єктів у системі елементарних частинок. Вони є "будівельним матеріалом" для речовин. Завдяки взаємодії кварків існують ядра атомів. Внаслідок формування електронних оболонок навколо ядра утворюються атоми.

Фізика знаходиться в пошуку єдності своїх фундаментальних теорій. Весь шлях розвитку фізики являє собою процес становлення, розвитку і заміни однієї фізичної картини іншою. Першою з них була механічна картина світу Галілея-Ньютона. На зміну їй прийшла електродинамічна картина світу Фарадея-Максвелла. У наш час панує квантово-польова картина світу, створена перш за все працями Планка, Енштейна, Бора, де Бройля, Шредінгера, Гейзенберга.

Основу єдності світу становить, перш за все, єдність будови матерії. З погляду сучасної фізики, існують дві основні форми матерії - речовина і поле. Єдність світу виявляється також у взаємозв’язку всіх явищ, можливостях взаємних перетворень форм матерії і руху, а разом з тим, в існуванні ряду загальних законів руху матерії (закони збереження енергії, імпульсу, електричного заряду, взаємозв’язку маси і енергії та ін.). Єдність світу виявляється і в законах руху частинок, і в законах їх взаємодії.

Нині фізика прагне створити єдину теорію елементарних частинок. Виявлено глибинні структури частинок, які проявляються в різних взаємодіях. Наука підходить до виявлення субелементарного рівня організації матерії, єдиної природи всіх елементарних частинок. Саме в закономірностях цього рівня матерії і проявляються основні таємниці Всесвіту, які визначають особливості його еволюції. З подальшим дослідженням мікросвіту виникає дедалі більше можливостей для розуміння структури Всесвіту. Елементарні частинки, ядра атомів можуть утворювати плазму (вид матерії, подібний до газу), її величезні скупчення, які утримуються електромагнітними гравітаційними полями, утворюють зірки, які є особливим рівнем організації матерії. В їх надрах постійно відбуваються реакції, в результаті яких одні частинки перетворюються на інші, внаслідок чого зірки випромінюють енергію, утворюють інші атоми, а їх взаємодія викликає появу молекул.

Вченим відкрився мікросвіт - світ малих тіл, невидимих не тільки неозброєним оком, а й в самі сильні мікроскопи. Їх просторові розміри від  см до  см, а час життя - від нескінченності до  с. Для того, щоб розібратися в явищах мікросвіту, потрібно було в першу чергу визначити основні характеристики малих тіл, що їх складають: масу і розміри частинок речовини, їх електричний заряд, характер і величину сил взаємодії між ними і т. ін. На цьому шляху вчені зустріли багато труднощів і зробили ряд відкриттів, що радикально змінили різні уявлення про навколишній світ, встановлюють зв’язок між частинками і космологією.

Метою курсової роботи є: шляхи становлення сучасної фізичної картини світу, мікросвіту.

1. Фундаментальні взаємодії

Фундаментальні взаємодії - різні типи взаємодії, що не зводяться одна до одної, елементарних частинок і складених з них тіл. На сьогодні достовірно відоме існування чотирьох фундаментальних взаємодій: гравітаційної (g), електромагнітної (e), сильної (s) і слабкої () взаємодій. Ведуться пошуки інших типів взаємодій, як в явищах мікросвіту, так і на космічних масштабах, проте поки існування якого-небудь іншого типу взаємодії не знайдено.

У фізиці причиною зміни руху тіл є сила. Досліджуючи навколишній світ, ми можемо помітити чимало найрізноманітніших сил: сила тяжіння, сила натягу нитки, сила стисненої пружини, сила, що виникає під час зіткнення тіл, сила тертя, сила опору повітря, сила вибуху і т.д. Проте як тільки була з'ясована атомарна структура речовини, стало зрозуміло, що вся різноманітність цих сил є результатом взаємодії атомів один з одним. Оскільки атоми взаємодіють в основному через електростатичну взаємодію 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 мають масу.

Отже, до початку 20-го століття з'ясувалося, що всі відомі до того моменту сили зводяться до двох фундаментальних взаємодій: електромагнітної і гравітаційної.

У 1930-і роки з'ясувалося, що атоми містять всередині себе ядра, які у свою чергу складаються з нуклонів (протонів та нейтронів). Ясно, що ні електромагнітні, ні гравітаційні взаємодії не можуть пояснити, що утримує нуклони в ядрі. Було постульовано існування нової фундаментальної взаємодії: сильної взаємодії. Проте надалі виявилося, що і вона здатна пояснити не всі явища в мікросвіті, зокрема, не було зрозуміло, що примушує розпадатися вільний нейтрон. Так було постульовано існування слабкої взаємодії, і як виявилося, цього достатньо для опису всіх взаємодій, що дотепер спостерігалися в мікросвіті.

В табл.1 наведені фундаментальні види взаємодій у природі. З таблиці бачимо, що найбільш ефективною є сильна взаємодія. Гравітаційна взаємодія є найбільш слабкою серед всіх, вона майже у разів менша порівняно із сильною.

Таблиця1

Фундаментальні види взаємодії у природі

1.1 Гравітаційна взаємодія

Найбільш універсальною з-поміж всіх взаємодій є гравітаційна - вона виникає між будь-якими тілами, що мають масу. Гравітаційна взаємодія характеризується гравітаційною сталою G=6.7. Чудове наближення, що описує гравітаційну взаємодію двох точкових тіл з однаковими масами m, які знаходяться на відстані r один від одного, дає закон всесвітнього тяжіння, відкритий Ньютоном:

F=G. (1.1)

У фізиці суб’ядерних частинок гравітаційна взаємодія внаслідок її малої величини не відіграє майже ніякої ролі на відстанях rсм, в зв’язку з чим нею нехтують. При менших відстанях або дуже великих енергіях ця взаємодія за величиною порівнюється з іншими взаємодіями і повинна бути врахована. Сучасною теорією гравітаційної взаємодії є загальна теорія відносності (ЗТВ). В рамках цієї теорії гравітація розглядається як викривлення простору-часу, тобто має геометричну інтерпретацію.

1.2 Електромагнітна взаємодія

Електромагнітна взаємодія виникає між тілами, що мають електричний заряд. У загальному випадку закон руху заряджених тіл описується рівняннями Максвелла - Лоренца, проте в квазістатичному наближенні чудово “працює” аналог закону Ньютона - кулонівське наближення

F=, (1.2)

де е- заряд частинки; - стала пропорційності.

Квантова теорія, що описує електромагнітну взаємодію, одержала назву квантової електродинаміки (КЕД) і вважається найбільш досконалою із усіх існуючих фізичних теорій. Ця теорія відповідає основним вимогам як квантової теорії, так і теорії відносності.

Величину G і  у співвідношеннях (1.1) і (1.2) залежить від вибору одиниць вимірювання, і це перешкоджає аналізу спільності обох взаємодій. Щоб полегшити порівняння, з цих величин за допомогою універсальних констант - сталої Планка h= і швидкості світла с - утворюють безрозмірні константи. Таким чином, вводять безрозмірні величини =G та електромагнітну сталу = ( сталу тонкої структури), де е - заряд електрона (протона).

Необхідно відзначити відмінність між визначенням обох цих сталих. У деякому розумінні, константа  є більш універсальною, ніж. Це пов’яно з тим, що у вираз числа  входять тільки фундаментальні сталі, в той час як константа  характеризується довільною масою m. Щоб усунути цю неузгодженість в константі  зазвичай фіксують значення маси m, вважаючи її такою, що дорівнює  (маса протона). Цей вибір цілком природний: протон - одна з двох стабільних частинок у Всесвіті. Інша стабільна частинка - електрон - має масу . Вибір між  і  є в значній мірі умовним.

1.3 Сильна взаємодія

Сильна ядерна взаємодія найпотужніша з взаємодій. Однак, вона проявляється на малих відстанях (м, відстані співмірні з розміром ядра атома), пов'язує разом кварки, об'єднуючи їх в адрони, а також пов'язує протони і нейтрони в ядрі атома. Частинками-носіями сильної ядерної взаємодії за сучасними уявленнями є глюони. Їх всього 8 типів, кожен з яких має нульову масу (маса спокою) і нульовий заряд. На відміну від обмінних частинок інших взаємодій, глюони можуть взаємодіяти один з одним через інший глюон.

Сильна ядерна взаємодія була вперше описана японським вченим-фізиком Хідекі Юкава в 1935 р. з використанням обмінних частинок - мезонів. Сучасний опис сильної взаємодії дає квантова хромодинаміка. Квантова хромодинаміка входить у так звану Стандартну модель, яка є сумою сучасних уявлень про будову мікросвіту, хоча й не може претендувати на завершене знання, оскільки не пояснює результатів деяких експериментів і не включає в себе теорію гравітації.

1.4 Слабка взаємодія

Слабка взаємодія керує розпадом більш важких суб’ядерних частинок на більш легкі. Історично першим був вивчений розпад нейтрона в атомних ядрах(- розпад), який відбувається за схемою

n = p++,

де n, p,  - нейтрон, протон, електрон та антинейтрино.

Взаємодія має короткий радіус дії і проявляється лише на відстанях порядку розміру атомного ядра. Вважається, що вона характерна для кварків і лептонів, включно з нейтрино. Частинками-переносниками слабкої взаємодії є W- і Z-бозони - дуже масивні елементарні частинки з масами порядку десятків мас протона.

Першу теорію слабкої взаємодії запропонував Енріко Фермі у 1930. При розробці теорії він використав гіпотезу Вольфганга Паулі про існування нової на той час елементарної частинки нейтрино. Тому ця взаємодія характеризується константою Фермі (). Безрозмірна константа слабкої взаємодії записується у вигляді

=.

Слабка взаємодія також визначає процеси взаємодії нейтрино з речовиною.

2. Закони збереження у фізиці високих енергій

У фізиці суб’ядерних частинок існує велика кількість законів збереження. Умовно ці закони можна поділити на три групи відповідно до їх фізичної природи:

)   закони збереження, пов’язані з геометрією чотиривимірного простору-часу;

2)      точні закони збереження зарядів;

)        наближені закони збереження.

Зазначені групи законів збереження систематизовані у таблиці 2, де символами S, E, W, G позначені сильна, електромагнітна, слабка та гравітаційна взаємодії.