Единство сил природы
Известно четыре типа сил, действующих между элементарными частицами и тем самым определяющих все явления природы. Это гравитационное (см. Тяготение), слабое, электромагнитное и сильное взаимодействия. Два из них — гравитационное и электромагнитное — известны давно. Их радиус действия неограничен, и поэтому они проявляются не только между элементарными частицами, но и в окружающих нас макроскопических телах. Гравитационное взаимодействие доминирует в небесной механике. Электромагнитное взаимодействие, хотя оно и намного сильнее, не может с ним тут конкурировать, поскольку обычно макроскопические тела не заряжены. Электромагнитное взаимодействие преобладает внутри вещества. Это оно определяет химические связи, излучение света, намагничивание, — словом, все явления, наблюдаемые в молекулах и атомах. Гравитационное взаимодействие здесь не сказывается из-за его малой силы, а слабое и сильное взаимодействия — из-за их короткого радиуса действия.
Внутри атомного ядра проявляются сильное и слабое взаимодействия. Сильное взаимодействие скрепляет нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре и кварки внутри нуклонов. Эта вторая — основная — роль сильного взаимодействия выяснилась сравнительно недавно. Что касается слабого взаимодействия, то оно вызывает переходы между разными типами кварков и, в частности, определяет β-распады нуклонов в ядрах. При β-распаде один из трех кварков, составляющих нуклон, переходит в кварк другого типа и излучает электроны и антинейтрино (см. Бета-распад).
Слабые взаимодействия вызывают также взаимные переходы между различными типами лептонов, например распад мюона на электрон, нейтрино и антинейтрино.
Трудно сравнивать силы, по-разному зависящие от расстояния. Однако если выбрать конкретное расстояние, то можно сравнить потенциальные энергии, соответствующие различным силам. Так, для внутриядерного расстояния 10 −14 см потенциальные энергии сильного, электромагнитного, слабого и гравитационного взаимодействий относятся как 1 : 10 −2 : 10 −5 : 10 −38 .
Физики пытаются уловить связь между силами природы. Выяснилось, что электромагнитное и слабое взаимодействия связаны друг с другом. За обнаружение этой связи — теорию электрослабых сил — Ш. Глэшоу, С. Вайнберг и А. Салам получили в 1979 г. Нобелевскую премию. Теорию электрослабых сил нельзя считать полностью доказанной, но основная ее идея проверена многочисленными опытами. Эта идея сводится к тому, что электромагнитное поле является частью более общего электрослабого поля, состоящего из нескольких форм, или компонент. Всего компонент в четыре раза больше, чем в электромагнитном поле. Элементарные частицы — кварки и лептоны — излучают и поглощают кванты электрослабого поля, которыми являются уже известные фотоны и новые частицы, так называемые промежуточные или векторные бозоны W + , W − , Z 0 — массивные частицы со спином 1. Они имеют огромную массу, в 100 раз больше нуклонной. Промежуточные W + − − бозоны были обнаружены в опытах на встречных протон-антипротонных пучках при колоссальной полной энергии, превышающей 500 ГэВ. Их масса (MW « 80 ГэВ) очень хорошо согласуется с предсказаниями электрослабой теории. Таким образом, получено новое убедительное доказательство единства электромагнитных и слабых взаимодействий.
Вернемся к нашему путешествию в глубь микромира. Радиус действия слабых сил приблизительно 10 −16 см. На этом масштабе они объединяются с электромагнитными силами, а на меньших масштабах электрослабые поля неразделимы, подобно электрическому и магнитному полю быстро движущегося заряда.
Что же происходит дальше? Тут начинается область гипотез. Согласно большинству из них, электрослабые взаимодействия объединяются с сильными приблизительно на масштабе 10 −30 см. Пока трудно представить себе эксперименты на таких малых масштабах. Соответствующая энергия 10 16 ГэВ вообще не может быть достигнута на ускорителе. (О соотношении между энергией пробной частицы и размером области взаимодействия см. в ст. Ускорители заряженных частиц.)
Однако решающий эксперимент для проверки этого, так называемого Великого объединения может быть проведен в ближайшие годы. Дело в том, что почти неизбежным следствием Великого объединения является нестабильность протона.
Это процесс совершенно нового типа, при котором в нуклонах происходят уже не переходы одних кварков в другие, как при β-распаде, а превращения кварков в антикварки и лептоны. Оказывается нарушенным закон сохранения барионного заряда. Вероятности таких превращений, конечно, очень малы, иначе просто не существовали бы ни мы сами, ни окружающая нас ядерная материя — она бы рассыпалась на более легкие частицы.
По теоретическим оценкам, время жизни протона должно составлять 10 30 — 10 34 лет. Это намного больше, чем возраст Вселенной. Но даже такие крайне редкие процессы можно попытаться обнаружить. Для этого создаются детекторы протонных распадов, содержащие несколько тысяч и даже десятки тысяч тонн вещества (т. е. 10 33 — 10 34 нуклонов). Для защиты от фона космических лучей такие установки помещают глубоко под землей и окружают специальной охранной системой из вспомогательных счетчиков. Тогда за время порядка 1 года можно надеяться зарегистрировать несколько протонных распадов. Эксперименты проводятся. Но пока они позволили только установить, что время жизни протонов превышает 10 31 лет.
Другое вероятностное следствие Великого объединения — это существование «монополей», одиночных магнитных зарядов. Их масса должна быть фантастически велика. Опыты по обнаружению космических «монополей» сейчас ведутся. Однако, как и для поисков распада протона, с выводами надо еще подождать.
А. Эйнштейн предполагал возможность объединения электромагнитного взаимодействия с гравитационным. Теперь, имея в виду объединение электромагнитного взаимодействия со слабым и, возможно, сильным взаимодействиями, это будет, можно сказать, Суперобъединение — все четыре силы природы сводятся к одной, исходя из какого-то фундаментального принципа. В последнее время все чаще высказывается мысль, что этот принцип геометрический, как и принцип общей теории относительности.
Итак, физики стремятся найти единое объединение всем силам природы. Довольно много уже удалось сделать, но еще больше предстоит.
Источник
С.А.Подолинский «Социализм и единство сил Природы»
Принимая теорию единства сил физики (природы) или закон сохранения энергии, мы будем вынуждены признать, что ничто не может быть СОТВОРЕHО, в строгом смысле этого слова, не исключая и ТРУД, и что, как следствие, вся польза труда, как целесообразной деятельности, есть не что иное, как преобразование той или иной энергии. Каков способ, с помощью которого осуществляется такое преобразование энергии? Каковы наилучшие пути приложения труда к природе с тем, чтобы привлечь возможно большее количество энергии для удовлетворения потребностей человечества? Вот вопросы, на которые мы попытаемся найти ответ в представленной работе.
Согласно теории производства, разработанной Марксом и признанной социалистами, труд человека, выражаясь языком физики, аккумулирует в своих продуктах больше энергии, чем та, которая необходима для воспроизводства рабочей силы. Почему и как именно происходит эта аккумуляция? Для ответа на поставленные вопросы мы на некоторое время остановимся на рассмотрении общего распределения энергии во вселенной.
Полная энергия, как сумма различных ее форм, во вселенной является величиной постоянной, но это далеко не так, если мы рассматриваем отдельные части вселенной. Одни небесные тела передают другим небесным телам сквозь космическое пространство энергию в различных формах и различной величины; первые из них — СОЛHЦА (звезды) обладают значительно большей энергией, чем вторые — ПЛАHЕТЫ и СПУТHИКИ. Эти тела воспринимают энергию от ближайших им солнц (звезд) в виде светового излучения и преобразуют ее в тепловую, химическую, механическую и другие формы энергии. Подобный обмен энергией между телами, которые имеют много энергии, и телами, имеющими ее мало, с неизбежностью рано или поздно должен привести к выравниванию энергетических различий во вселенной. Предполагают, что все преобразования этих форм энергии, независимо от времени, необходимого на эти преобразования, сопровождаются одной тенденцией, состоящей в том, что в конце концов все эти превращения энергии приводят ее к виду тепловой энергии, распределенной равномерно во вселенной.Таким образом, наблюдается непрерывное преобразование энергии от ее менее стабильных форм к формам более стабильным. Как следствие этого легкость превращения одних форм энергии в другие ее формы имеет тенденцию уменьшаться. После длинной серии подобных превращений общая энергия превращается в тепловую, равномерно распределенную во вселенной и неспособную к дальнейшим превращениям. Когда это произойдет, то всякий вид механического движения, доступный нашему восприятию, исчезнет, и все явления жизни не смогут иметь места, так как для наблюдаемых явлений жизни АБСОЛЮТHО необходима разность температур; только в этих условиях тепло может превращаться в другие формы энергии. Эта тенденция энергии к равномерному распределению во вселенной была названа ДИССИПАЦИЕЙ ЭHЕРГИИ, или, согласно терминологии Клаузиуса, — законом роста ЭHТРОПИИ (1). Последнее понятие обозначает то количество преобразованной энергии, которое неспособно к дальнейшим превращениям. Из этого и следуют два принципа Клаузиуса: ЭHЕРГИЯ ВСЕЛЕHHОЙ ПОСТОЯHHА. ЭHТРОПИЯ МИРА (ВСЕЛЕHHОЙ) СТРЕМИТСЯ К МАКСИМУМУ.
Это означает, что в строго механическом смысле энергия вселенной будет заведомо и непрерывно сохраняться. Hо эта уравновешенная энергия, то есть тепло, которое равномерно распределено во вселенной, уже будет неспособно совершать наблюдаемые превращения, которые в настоящее время мы обнаруживаем как в неорганическом мире, так и в живой материи; для преобразования тепла в другие формы энергии абсолютно необходима разность температур.
2 3 4 5 6 7 Вперед
Источник