Уже написано множество материалов об элементарных частицах и фундаментальных взаимодействиях, но в каждом из них очень легко запутаться. Оно и неудивительно: тема довольно сложная, в неё необходимо глубоко вникать. Мы попытаемся разложить базовые понятия, сделать материал по элементарным частицам доступным для понимания. Данная статья не является исчерпывающим пособием, это наша попытка дать базовые понятия из физики элементарных частиц простым языком.
Очень малые величины
Первое и самое главное, что не укладывается в голове, — это размеры элементарных частиц, а также способность этих элементарных частиц оказывать какое-либо воздействие на нашу жизнь. Ведь размер настолько маленький, что какое, вообще, они способны оказать влияние?
Фундаментальные взаимодействия
На самом деле влияние оказывается прямое. Начнём сразу с примеров. Главный пример, который всем понятен и который каждый может лицезреть, — это Солнце. Солнце светит очень ярко, от Солнца по всей нашей системе распространяется солнечный ветер, без него не было бы жизни на Земле. Как оно связано с элементарными частицами, помимо того, что оно из них состоит?
Элементарные частицы наделены фундаментальными силами. Жизнь на Земле существует благодаря Солнцу, Солнце существует благодаря ядерным реакциям, ядерные реакции существуют благодаря распаду, а распад — это часть фундаментальной силы. Она называется слабым взаимодействием.
Да, названия в физике фундаментальных частиц довольно странные. Вплоть до того, что некоторые кварки называются «странными». А само название «кварк» произошло и вовсе из старого литературного произведения, не имеющего отношения к фундаментальной физике…
Но мы отвлеклись. На примере с Солнцем мы поняли, что такое слабое взаимодействие — это некая фундаментальная сила, лежащая в основе всех сил подобного характера. Помимо неё существуют ещё три фундаментальных силы. Их мы тоже рассмотрим на конкретных примерах, чтобы было понятнее.
Прежде всего, один важный вопрос. Благодаря чему существуем мы, люди? Короткий ответ — благодаря сильному взаимодействию. И речь идёт не о социальных навыках или семейных узах. Речь идёт об атомах. Мы существуем благодаря атомам, атомы существуют благодаря ядрам, ядра существуют благодаря частицам с сильным взаимодействием. Они не распадаются в отличие от частиц со слабым взаимодействием. Таким образом, человек — это продукт сильного взаимодействия. Мы полностью состоим из атомов, а атомы держатся на сильном взаимодействии.
Ещё проще о фундаментальных взаимодействиях
Рассказать об этом ещё проще? Без проблем. В ядре атома находятся протоны и нейтроны, вокруг ядра вращается электрон. Все они должны быть вместе, притягиваться друг к другу и ни в коем случае не распадаться. Тогда атом будет стабилен. Это и есть сильное взаимодействие. Узы этих частиц гораздо крепче, чем у итальянской семьи.
Ну и нельзя обойти стороной два другие фундаментальные взаимодействия: электромагнитные и гравитационные. Из названий хорошо понятно за какие процессы они отвечают. Без электромагнетизма не существовало бы света в нашем понимании, а также обмена частицами на расстоянии. Без гравитации не существовало бы планет и Солнечной системы.
Разумеется, всё обстоит несколько сложнее, чем мы здесь описали, но упрощение — это ключ к пониманию. А фундаментальные взаимодействия — ключ к пониманию того, как работает наша Вселенная, а понимание принципов работы нашей Вселенной не только двигает вперёд прогресс, но и даёт больше уверенности в завтрашнем дне.
Итог
Безусловно, это не все взаимодействия, которые существуют на самом деле. Их может быть гораздо больше, и наука занимается исследованием этой темы. Основная проблема заключается в том, что сверхмалые частицы крайне трудно отслеживать, а некоторые из них из-за своих природных особенностей крайне мало живут. Когда мы говорим «крайне мало», речь идет не про секунды. Речь — про величины столь малые, что такие мгновения трудно даже посчитать статистической погрешностью. Яркий пример, время жизни W-бозона — 10-25 секунды.
Спасибо за прочтение. Мы надеемся, что данный материал был вам интересен и вы почерпнули что-то новое для себя.