Не смотря на свое название слабое взаимодействие играет очень важную роль! Приготовьтесь удивляться. Сегодня мы поговорим о том как могут быть связаны между собой доктор Манхэттен, эффект бабочки и эволюция звезд.
Кратко о слабом взаимодействии
Слабое взаимодействие как и сильное относится к ядерным, поскольку пределы его действия так же обусловлены размерами атомного ядра и, возможно даже меньше, чем у сильного взаимодействия. Примерно пределы действия слабого взаимодействия обусловлены радиусом в 10 в -18 м. Это меньше диаметра протона!
Переносится оно W- и Z- бозонами. Описывается теорией электрослабого взаимодействия. Обычно говорят, что оно связано с радиоактивным распадом. Но почему его связывают с радиоактивным распадом?
И еще вопрос. Все остальные взаимодействия связаны с притяжением или отталкиванием, будь то сильное ядерное, электромагнитное или гравитационное. Ответственно ли слабое взаимодействие за притяжение и/или отталкивание каких-либо частиц? И каких? А если нет, почему тогда это одно из фундаментальных взаимодействий, если оно не связано ни с какими силами?
Что ж, для ответа на эти и другие вопросы давайте раскроем эту тему немного подробнее.
Хронология событий
Как правило, принято обращаться к самым древним временам и уже от них вести нить идеи до сегодняшних дней. Но мы не будем так далеко углубляться. Началось все с того, когда в 1933 году Энрико Ферми предложил первую теорию слабого взаимодействия, которую теперь называют взаимодействием Ферми. Он предположил, что процесс бета-распада можно объяснить как результат взаимодействия частиц, происходящего на очень близком расстоянии.
В середине 1950-х годов ученые Чен-Нин Ян и Цунг-Дао Ли предположили, что направление вращения частиц при слабом взаимодействии может не соблюдать обычные законы симметрии. В 1957 году это было подтверждено экспериментами, проведенными Цзянь Шиунг Ву и её коллегами.
В 1960-х годах Шелдон Глэшоу, Абдус Салам и Стивен Вайнберг объединили теории электромагнитного и слабого взаимодействий, показав, что они являются частями одного целого, которое теперь называют электрослабым взаимодействием. Частицы, предсказанные их теорией, называемые W- и Z- бозонами, были обнаружены только в 1983 году.
W- Z- бозоны
W и Z бозоны — это частицы, которые играют ключевую роль в слабом взаимодействии, одном из фундаментальных взаимодействий в природе. Проще говоря, слабое взаимодействие отвечает за некоторые виды радиоактивного распада, например, за бета-распад, который происходит в атомах.
- W бозоны: Эти частицы помогают изменить тип частицы на другой. Например, при бета-распаде нейтрон в атомном ядре может превратиться в протон, испустив W бозон, который затем превращается в электрон и нейтрино.
- Z бозоны: Эти частицы связаны с нейтральным слабым взаимодействием. Это значит, что они участвуют в процессах, где нет заряда, который переходит от одной частицы к другой. Они помогают передавать слабое взаимодействие без изменения заряда частиц.
Эти бозоны значительно тяжелее, чем протоны и нейтроны. Их массы близки к 80 ГэВ для W-бозона и 90 ГэВ для Z-бозона. Такая большая масса обусловливает малое время их жизни, равное 10 в –24 секунды, и объясняет слабость переносимого ими взаимодействия кварков и лептонов.
При чем же тут Доктор Манхэттен
Как известно из комиксов, Джонатан Остерман был ученым, физиком - ядерщиком. Однажды Джонатан в поисках своих часов, случайно попадает в экспериментальную установку, предназначенную для ускорения частиц, где его тело распадается на субатомные частицы и затем собирается вновь.
Тема радиации была популярна в момент рождения этого персонажа. И фантазируя в этом ключе, Алан Мур создает доктора Мантхэттена.
Но при чем тут наша тема? Дело в том, что главным и одним из самых популярных примеров слабого взаимодействия является бета-распад, в котором нейтрон превращается в протон, электрон и антинейтрино.
Другими словами, причиной, по которой происходит бета-распад является обмен частиц W и Z бозонами.
Солнечные реакции
Слабое взаимодействие играет важную роль в термоядерных реакциях в звездах, включая наше Солнце.
В центре Солнца происходит ряд ядерных реакций, объединённых в так называемый протон-протонный цикл (p-p цикл). Этот цикл является основным источником энергии для Солнца и других звёзд подобного типа. Он включает несколько стадий, на которых слабое взаимодействие играет критическую роль.
В заключении
Я бы конечно, продолжил, поскольку многое не успел уложить в эту статью, но она и так по-моему уже получилась довольно большой.
Но хочется еще отметить то, что слабое взаимодействие уникально тем, что оно нарушает паритет (P-симметрию) и комбинированную зарядово-зеркальную симметрию (CP-симметрию). Это значит, что законы физики для слабого взаимодействия не одинаковы для зеркально отражённых систем и для систем с обратным знаком всех зарядов.
Слабое взаимодействие невозможно описать в рамках отдельной теории. Но в1970-х годах было показано, что слабое и электромагнитное взаимодействия можно описать в рамках единой теории, называемой электрослабым взаимодействием. Эта теория, разработанная Стивеном Вайнбергом, Абдусом Саламом и Шелдоном Глэшоу, объединяет слабое взаимодействие и электромагнетизм в рамках одной калибровочной группы.
На этом пока у меня все. До новых встреч!