Фундаментальныя ўзаемадзеянні

Фундаментальныя ўзаемадзеянні — тыпы ўзаемадзеяння элементарных часціц і складзеных з іх цел, якасна адрозніваюцца.

На сёння дакладна вядома існаванне чатырох фундаментальных узаемадзеянняў:

• гравітацыйнага;
• электрамагнітнага;
• моцнага;
• слабага.

Пры гэтым электрамагнітнае і слабае ўзаемадзеяння з'яўляюцца праявамі адзінага электраслабага ўзаемадзеяння.

Вядуцца пошукі іншых тыпаў фундаментальных узаемадзеянняў, як у з'явах мікрасвету, так і ў касмічных маштабах, аднак пакуль якога-небудзь іншага тыпу фундаментальнага ўзаемадзеяння не выяўлена.

У фізіцы механічная энергія дзеліцца на два віды — патэнцыяльную і кінетычную энергію. Прычынай змены руху цел (змены кінетычнай энергіі) з'яўляецца сіла (патэнцыяльная энергія) (гл. другі закон Ньютана). Даследуючы навакольны свет, мы можам заўважыць мноства самых разнастайных сіл: сіла цяжару, сіла нацяжэння ніткі, сіла сціску спружыны, сіла сутыкнення цел, сіла трэння, сіла супраціўлення паветра, сіла выбуху і г. д. Аднак калі была высветлена атамарная структура рэчыва, стала зразумела, што ўся разнастайнасць гэтых сіл ёсць вынік узаемадзеяння атамаў адзін з адным. Паколькі асноўны від міжатамных узаемадзеянняў — электрамагнітны, то, як аказалася, большасць гэтых сіл — толькі розныя праявы электрамагнітнага ўзаемадзеяння. Адно з выключэнняў складае, напрыклад, сіла цяжару, прычынай якой з'яўляецца гравітацыйнае ўзаемадзеянне паміж целамі, якія валодаюць масай.

Табліца

Узаемадзеянне	Бягучае апісанне тэорыяй	Зарад	Часціца-пераносчык	Адносная сіла	Залежнасць ад адлегласці	Радыус узаемадзеяння (м)
Гравітацыя	Агульная тэорыя адноснасці	Маса	Гравітон (гіпатэтыч.)	1	${\frac {1}{r^{2}}}$	∞
Слабае	Тэорыя электраслабага ўзаемадзеяння (ТЭЎ)	Слабы ізаспін	W+ W- Z0 базоны	1025	${\frac {1}{r}}\ e^{-m_{W,Z}\ r}$	10−18
Электрамагнітнае	Квантавая электрадынаміка (КЭД)	Электрычны зарад	Фатон	1036	${\frac {1}{r^{2}}}$	∞
Моцнае	Квантавая хромадынаміка (КХД)	Каляровы зарад	Глюон	1038	${1}$ (гл. дыскусія)	10−15

Гісторыя

Калібровачныя базоны ў рамках Стандартнай мадэлі. (па-руску)

К пачатку XX стагоддзя высветлілася, што ўсе вядомыя да таго моманту сілы зводзяцца да двух фундаментальных узаемадзеянняў: электрамагнітнага і гравітацыйнага.

У 1930-я гады фізікі выявілі, што ядры атамаў складаюцца з нуклонаў (пратонаў і нейтронаў). Стала зразумела, што ні электрамагнітныя, ні гравітацыйныя ўзаемадзеянні не могуць растлумачыць, што ўтрымлівае нуклоны ў ядры. Было пастулявана існаванне новага фундаментальнага ўзаемадзеяння: моцнага ўзаемадзеяння. Аднак у далейшым аказалася, што і гэтага недастаткова, каб растлумачыць некаторыя з'явы ў мікрасвеце. У прыватнасці, было незразумела, што прымушае распадацца свабодны нейтрон. Тады было пастулявана існаванне слабага ўзаемадзеяння, і гэтага аказалася дастаткова для апісання ўсіх з'яў у мікрасвеце, што да гэтага часу назіраліся.

Стварэнне адзінай тэорыі фундаментальных узаемадзеянняў

Першай з тэорый узаемадзеянняў стала тэорыя электрамагнетызму, створаная Максвелам ў 1863 годзе. Затым у 1915 г. Эйнштэйн сфармуляваў агульную тэорыю адноснасці, якая апісвае гравітацыйнае поле. З'явілася ідэя пабудовы адзінай тэорыі фундаментальных узаемадзеянняў (якіх на той момант было вядома толькі два), падобна таму, як у Максвела атрымалася стварыць агульнае апісанне электрычных і магнітных з'яў. Такая адзіная тэорыя аб'яднала б гравітацыю і электрамагнетызм ў якасці асобных праяў нейкага адзінага ўзаемадзеяння.

На працягу першай паловы XX стагоддзя шэраг фізікаў распачалі шматлікія спробы стварэння такой тэорыі, аднак ні адной цалкам здавальняючай мадэлі прапанавана не было. Гэта, сярод іншага, звязана з тым, што агульная тэорыя адноснасці і тэорыя электрамагнетызму розныя па сваёй сутнасці. Прыцягненне апісваецца скрыўленнем прасторы-часу, і ў гэтым сэнсе гравітацыйнае поле ўмоўна нематэрыяльнае (эмпірычна недыскрэтнае), але як і іншыя формы ўзаемадзеяння распаўсюджваецца з гранічна дапушчальнай хуткасцю святла (гл. Хуткасць гравітацыі), у той час як электрамагнітнае поле прадстаўляе ўсе неабходныя атрыбуты матэрыі.

У другой палове XX стагоддзя задача пабудовы адзінай тэорыі ўскладнілася неабходнасцю ўнясення ў яе слабага і моцнага ўзаемадзеянняў, а таксама квантавання тэорыі.

У 1967 Абдус Салам і Стывен Вайнберг стварылі тэорыю электраслабага ўзаемадзеяння, якая аб'яднала электрамагнетызм і слабыя ўзаемадзеянні. Пазней ў 1973 годзе была прапанавана тэорыя моцнага ўзаемадзеяння (квантавая хромадынаміка). На іх аснове была пабудавана Стандартная Мадэль элементарных часціц, якая апісвае электрамагнітнае, слабае і моцнае ўзаемадзеянні.

Эксперыментальная праверка Стандартнай Мадэлі заключаецца ў выяўленні прадказаных ёю часціц і іх уласцівасцей. На цяперашні час адкрыты ўсе элементарныя часціцы Стандартнай Мадэлі.

Такім чынам, у цяперашні час фундаментальныя ўзаемадзеянні апісваюцца двума агульнапрынятымі тэорыямі: агульнай тэорыяй адноснасці і стандартнай мадэллю. Іх аб'яднання пакуль дасягнуць не ўдалося з-за цяжкасцей стварэння квантавай тэорыі гравітацыі. Для далейшага аб'яднання фундаментальных узаемадзеянняў выкарыстоўваюцца розныя падыходы: тэорыя струн, петлявая квантавая гравітацыя, а таксама М-тэорыя.

Гл. таксама

• Нявырашаныя праблемы сучаснай фізікі
• Выключна простая тэорыя ўсяго