Мир вокруг нас - "Этэрнус". Страница 7

Поэтому, например, ядра соседних атомов, сильными полями — не взаимодействуют (или по крайней мере, такое взаимодействие — пренебрежимо мало).

Чтобы ядра провзаимодействовали (т. е. вступили в ядерную реакцию), их нужно сблизить примерно до 10^–13 см, чему препятствуют значительные силы электрического отталкивания между ядрами. Поэтому ядерные реакции могут идти, в естественных условиях, лишь в недрах звёзд (и т. п. условиях) — т. е. при огромных давлениях и температурах (= при больших скоростях сталкивающихся ядер).

Итак, в общем, сильное (ядерное) поле — является по-настоящему сильным лишь при условии крайне малых расстояний между взаимодействующими элементарными частицами / ядрами, обладающими этими полями. Сильные поля значимо действуют лишь в масштабах внутренней структуры ядра (т. е. масштабах 10^–13 см). Эти масштабы — на много порядков меньше размера атома (атомное ядро, как правило, в десятки тысяч раз меньше атома).

Среди элементарных частиц, сильным видом полей — обладают, помимо протонов и нейтронов, все элементарные частицы, состоящие из кварков, т. е. т. н. составные, или сложные элементарные частицы (гипероны, резонансы и т. п.), которые рассмотрим несколько позже. (Поэтому возможны, например, т. н. гиперядра (= содержащие гипероны, вместо протонов или нейтронов, и быстро распадающиеся)).

Сильных полей — лишены т. н. фундаментальные, или простые элементарные частицы (т. е. не состоящие из кварков) — электроны, нейтрино и т. п. На эти частицы, сильные поля — не действуют (эти частицы не несут соответствующего заряда, т. е. сильных полей).

Ещё одно свойство сильного поля — в том, что оно, подобно гравитационному полю, никогда не бывает отталкивающим, т. е. сильный заряд — всегда только притягивающий. Антисильного поля — науке неизвестно (даже у частиц т. н. антивещества).

Сильное поле обладает также удивительным свойством насыщаемости (отдалённо напоминающей насыщаемость химических связей): например, один протон / нейтрон — может притянуть лишь ограниченное число соседних частиц в ядре.

Это, в принципе, всё основное, что известно в рамках теории поля, о сильном (ядерном) виде полей. (Более продвинутые представления о полях — имеются в рамках квантовой механики и теории относительности, которые рассмотрим чуть позже).

Слабые поля

Следующий вид полей, из числа открытых в 20-м веке, который сейчас рассмотрим — носит название слабого. Этим видом полей, и соответственно, слабым зарядом — обладают практически все виды элементарных частиц (в т. ч. электроны, протоны, нейтрино и т. п.).

Слабое поле — оправдывает своё название, т. к. по силе (= константе взаимодействия) — оно является почти самым слабым (лишь гравитационное поле слабее его).

Вдобавок к этому, слабое поле — имеет невероятное, сверхбыстрое убывание напряжённости (силы) с расстоянием, — ещё более быстрое, чем у сильных (ядерных) полей:

Действие слабого поля является заметным лишь на расстояниях в 1 000 раз меньших, чем расстояния, на которых эффективно действуют сильные (ядерные) поля. Поэтому слабое поле — стало известно лишь при изучении совершенно мизерных масштабов пространства (а именно, расстояний порядка 10^–16 см).

Слабое поле традиционно рассматривается как не связанное с притягивающими или отталкивающими зарядами, но приводящее лишь к превращениям частиц (например, распаду (свободного) нейтрона, и т. п.). Но с другой стороны, отталкивающее действие, обусловленное слабым полем — можно видеть, например, в известном явлении упругого столкновения нейтрино с частицами или ядрами, приводящем к обмену импульсами (т. н. упругое рассеяние нейтрино).

Далее: Подробнее и более глубоко, слабые поля, как и другие, как уже говорилось, рассматриваются в квантовой механике и теории относительности, о чём — чуть позже.

Глюонные поля

Последний вид полей, из числа открытых в 20-м веке — получил название глюонного поля. Оно определённым образом связано с ядерным (сильным) полем, о чём подробнее — чуть позже. Глюонные поля — связывают кварки друг с другом в сложных элементарных частицах (протонах, гиперонах, мезонах и т. п.). Силы глюонного притяжения между кварками, как считается — настолько сильны, что до сих пор, учёным не удалось вырвать ни одного кварка ни из одной сложной элементарной частицы. Т. е. ни один кварк не получен в свободном состоянии! Теоретическое объяснение этому — нашлось очень удивительное: предполагается, что напряжённость глюонных полей, в отличие от всех других видов полей, с расстоянием — не падает, а наоборот, возрастает. Оказывается, возможно и такое…

Получается, что если пытаться разорвать сложную элементарную частицу (например, протон), то энергия, которую мы будем прилагать, будет тратиться на увеличение напряжённости глюонного поля, и т. о. чем дальше кварки будут отдаляться друг от друга — тем сильнее они будут притягиваться друг к другу (и противодействовать разрыву сложной элементарной частицы (также энергия будет тратиться на рождение пар частица-античастица, и т. п.)). Поэтому разорвать сложную частицу на отдельные кварки — оказывается невозможно даже теоретически. Сложные элементарные частицы, в результате, несмотря на то, что являются, как известно, состоящими из кварков, могут считаться такими же элементарными, как и простые элементарные частицы (т. е. электроны, нейтрино и т. п.).

В целом, глюонные поля — самые сильные поля, имеющиеся в природе. Почему же эти поля столь малозаметны в окружающем Мире, на макроуровне? Дело в том, что глюонные поля — обладают удивительным свойством насыщаемости: они способны связывать лишь кварки в отдельной сложной элементарной частице, а на кварки соседних сложных элементарных частиц, несмотря на значительно большие расстояния до них и возрастание (или как минимум, неуменьшение) силы с расстоянием, глюонные поля, в целом — не действуют.

Объединение полей

Итак, мы рассмотрели, в общих чертах, шесть известных (доказанных) видов полей. Но почему существует именно шесть видов, а не одно, единое поле? Какова причина такого разнообразия, и всегда ли оно существовало? Поиск ответов на эти вопросы — ведётся уже давно. Попытки свести различные виды полей к разным сторонам (проявлениям) единого поля — уже имеют определённый успех.

Так, считается, что единое поле могло существовать как единое целое — на заре нашего Мироздания, т. е. во времена Большого Взрыва. По мере физического расширения окружающего Мира, последовавшего за ним, и падения плотности энергии в пространстве, единое поле постепенно разделилось на шесть полей, известных в современности. В качестве частичной аналогии этому, обычно приводится, например, раствор, в котором происходит кристаллизация растворённых веществ, т. е. их отделение и выпадение в осадок, при остывании раствора. По этой и т. п. аналогиям, можно (условно) представить и разделение единого поля. Из этого также следует, что его можно вновь получить, повысив концентрацию энергии, что осуществимо, например, при столкновениях частиц в ускорителе.

Возможность объединения полей т. о. — впервые подтвердилась при открытии, при помощи ускорителя заряженных частиц, новых элементарных частиц — W- и Z-бозонов (в 1983 году), существование которых ранее было предсказано в рамках теории, объединившей электромагнитное и слабое взаимодействия в единое электрослабое поле (теория Вайнберга-Глэшоу-Салама), с привлечением, дополнительно, поля Хиггса. Подробнее мы на этом остановимся позже.

Также, ещё ранее (в 19-м веке) были объединены магнитные и электрические поля — в электромагнитное поле (согласно наблюдениям, и в теории Фарадея-Максвелла). При этом, магнитное поле — было представлено как вторичное, производное по отношению к электрическому: например, магнитное поле, окружающее проводник с током — было объяснено как результат направленного движения электрических зарядов (электронов); также и магнитные моменты частиц — удалось представить (условно) как результат вращения элементарной частицы, и следовательно, тоже выводимыми из электрического поля.