Спросите Итана №5: Слабое взаимодействие

http://scienceblogs.com/startswithabang/2013/10/04/ask-ethan-5-the-weak-force/
  • Перевод
image

Время подобно реке, несущей проходящие мимо события, и течение её сильно; только что-либо покажется вам на глаза — а его уже унесло, и видно что-то другое, что тоже вскоре унесёт.

Марк Аврелий


Каждый из нас стремится создать целостную картину мира, включая картину Вселенной, от мельчайших субатомных частиц до величайших масштабов. Но законы физики порою настолько странные и контринтуитивные, что эта задача может стать непосильной для тех, кто не стал профессиональными теоритическими физиками.

image

Читатель спрашивает:
Хотя это и не астрономия, но может быть вы подскажете. Сильное взаимодействие переносится глюонами и связывает кварки и глюоны вместе. Электромагнитное переносится фотонами и связывает электрические заряженные частицы. Гравитация, предположительно, переносится гравитонами и связывает все частицы с массой. Слабое переносится W и Z частицами, и … связано с распадом? Почему слабое взаимодействие описывают именно так? 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? Спасибо.

Давайте-ка разберёмся в основах. Во вселенной существует четыре фундаментальных взаимодействия – гравитация, электромагнетизм, сильное ядерное взаимодействие и слабое ядерное взаимодействие.

image

И всё это – взаимодействия, силы. Для частиц, состояние которых можно измерить, приложение силы меняет её момент – в обычной жизни в таких случаях мы говорим об ускорении. И для трёх из указанных сил это так и есть.

image

В случае гравитации, общая сумма энергии (в основном массы, но сюда входит вся энергия) искривляет пространство-время, и движение всех остальных частиц меняется в присутствии всего, что имеет энергию. Так оно работает в классической (не квантовой) теории гравитации. Может, и есть более общая теория, квантовой гравитации, где происходит обмен гравитонами, приводящий к тому, что мы наблюдаем как гравитационное взаимодействие.

image

Перед тем, как продолжить, уясните:

  1. У частиц есть свойство, или что-то, присущее им, что позволяет им чувствовать (или не чувствовать) определённый тип силы
  2. Другие частицы, переносящие взаимодействия, взаимодействуют с первыми
  3. В результате взаимодействий частицы меняют момент, или ускоряются


image

В электромагнетизме основное свойство – электрический заряд. В отличие от гравитации, он может быть положительным или отрицательным. Фотон, частица, переносящая взаимодействие, связанное с зарядом, приводит к тому, что одинаковые заряды отталкиваются, а различающиеся – притягиваются.

Стоит отметить, что движущиеся заряды, или электрические токи, испытывают ещё одно проявление электромагнетизма – магнетизм. С гравитацией происходит то же самое, и называется гравитомагнетизм (или гравитоэлектромагнетизм). Углубляться не будем – суть в том, что есть не только заряд и переносчик силы, но и токи.

image

Есть ещё сильное ядерное взаимодействие, у которого есть три типа зарядов. Хотя у всех частиц есть энергия, и они все подвержены гравитации, и хотя кварки, половина лептонов и пара бозонов содержат электрические заряды – только у кварков и глюонов есть цветной заряд, и они могут испытывать сильное ядерное взаимодействие.

Масс везде много, поэтому гравитацию наблюдать легко. А поскольку сильное взаимодействие и электромагнетизм довольно сильны, их тоже легко наблюдать.

Но что насчёт последнего? Слабого взаимодействия?

image

Про него мы обычно говорим в контексте радиоактивного распада. Тяжёлые кварк или лептон распадаются на лёгкие и более стабильные. Да, слабое взаимодействие имеет к этому отношение. Но в данном примере оно как-то отличается от остальных сил.

Оказывается, что слабое взаимодействие – тоже сила, просто про неё нечасто рассказывают. Она ведь слабая! В 10 000 000 раз слабее, чем электромагнетизм, на дистанции длиной в диаметр протона.

image

Заряженная частица всегда имеет заряд, независимо от того, двигается она или нет. Но электрический ток, создаваемый ею, зависит от её движения относительно остальных частиц. Ток определяет магнетизм, который так же важен, как и электрическая часть электромагнетизма. У составных частиц вроде протона и нейтрона есть существенные магнитные моменты, как и у электрона.

Кварки и лептоны бывают шести ароматов. Кварки – верхний, нижний, странный, очарованный, прелестный, истинный (согласно их буквенным обозначениям в латинице u, d, s, c, t, b — up, down, strange, charm, top, bottom). Лептоны – электрон, электрон-нейтрино, мюон, мюон-нейтрино, тау, тау-нейтрино. У каждого из них есть электрический заряд, но также и аромат. Если мы объединим электромагнетизм и слабое взаимодействие, чтобы получить электрослабое взаимодействие, то у каждой из частиц будет некий слабый заряд, или электрослабый ток, и константа слабого взаимодействия. Всё это описано в Стандартной модели, но проверить это было довольно сложно, поскольку электромагнетизм настолько силён.

image

В новом эксперименте, результаты которого недавно были опубликованы, впервые был измерен вклад слабого взаимодействия. Эксперимент позволил определить слабое взаимодействие верхних и нижних кварков

image

и слабые заряды протона и нейтрона. Предсказания Стандартной модели для слабых зарядов были такие:

QW (p) = 0.0710 ± 0.0007,
QW (n) = -0.9890 ± 0.0007.

А по результатам рассеяния эксперимент выдал следующие значения:

QW (p) = 0.063 ± 0.012,
QW (n) = -0.975 ± 0.010.

Что очень хорошо совпадает с теорией с учётом погрешности. Экспериментаторы говорят, что обработав больше данных, они ещё уменьшат погрешность. И если там будут какие-то сюрпризы или расхождения со Стандартной моделью, это будет круто! Но на это ничто не указывает:

image

Поэтому у частиц есть слабый заряд, но мы про него не распространяемся, поскольку его нереально тяжело измерить. Но мы всё-таки сделали это, и судя по всему, снова подтвердили Стандартную модель.
Поделиться публикацией
Ой, у вас баннер убежал!

Ну. И что?
Реклама
Комментарии 22
  • +11
    В топике столько всего по намешано, и всё так не подробно, что по сути мало что понятно. Что за токи (я думал есть только частицы взаимодействующие и частицы переносящие взаимодействия)? Так что же такое это слабое взаимодействие (такое ощущение, что статья не про него, а про то, что оно настолько слабое, что измерить сложно). Что такое магнетизм? Тут ещё и про электрослабое взаимодействие написано (зачем?)… В общем статья, вместо того чтобы объяснить что такое слабое взаимодействие, пичкает огромным кол-вом терминов, сложных вопросов, не объясняя ни 1 из них. Человеку, который в этом уже разбирается, она наверное уже бесполезна, человеку, которому интересны эти вопросы — тем более. Такое ощущение, что это краткий конспект половины квантовой физики :)

    Вот взять этот абзац:
    Есть ещё сильное ядерное взаимодействие, у которого есть три типа зарядов. Хотя у всех частиц есть энергия, и они все подвержены гравитации, и хотя кварки, половина лептонов и пара бозонов содержат электрические заряды – только у кварков и глюонов есть цветной заряд, и они могут испытывать сильное ядерное взаимодействие.
    Начали с того, что есть сильное взаимодействие. Продолжили лептонами, бозонами и кварками. А затем ещё и глюонами. Сказали, что оные могут испытывать сильное взаимодействие. Возникает 1000 вопросов, но… а тут уже гравитоны, про ароматы кварков и…
    • +1
      Вроде всё чётко описали: слабые силы действуют на малых расстояниях и лишь на них они имеют чуть меньшую силу, чем электромагнитим.
      «Заряд» нейтрона у слабой силы — -0,98, а «заряд» протона — +0,07
      Итого, если сложить обе силы, получится протон — +1,007, а у нейтрона — -0,98. Поэтому нейтроны и протоны притягиваются друг к другу, несмотря на то, что нейтроны не обладают электрическим зарядом.
      По сути вся физика ядра — это смесь слабых и электромагнитных сил
    • +7
      Очень обрадовался когда увидел заголовок статьи, потому что давно пытаюсь для себя разобраться в слабом взаимодействии.
      И также сильно разочаровался, прочитав эту галиматью.
      • +1
        IMHO, гораздо полезнее было бы переводить блог Б.Коберлейна. Он гораздо понятнее пишет. briankoberlein.com
        • 0
          > С гравитацией происходит то же самое, и называется гравитомагнетизм (или гравитоэлектромагнетизм).

          Стойте, а разве уже получилось «пристегнуть» гравитацию к другим видам взаимодействия? О_о
          • +1
            Нет, тут речь идет о том, что движущееся тело взаимодействует с другими телами не так, как неподвижное. В частности, сюда относятся такие эффекты, как увлечение инерциальной системы отсчета или гравитационные волны.
          • 0
            прошу прощения за дилитантский вопрос:
            вот у нас два электрона — частицы которые имею электрически заряд. Частицы взаимодействуют друг с другом. Переносчик взаимодействия фотон.
            Так откуда «внутри» электрона столько фотонов для обмена с соседним электроном?

            • +1
              Электрон взаимодействует с электромагнитным полем — изменения поля начинают распространяться по нему. Это самое распространяющееся возмущение мы и называем фотоном.

              Кстати, сам электрон — тоже на самом деле лишь возмущение в некотором поле.
              • 0
                момент. Мы рассматриваем же идеальную вселенную в которой только два электрона.
                Да между ними поле.
                Откуда берутся возмущения в поле? Из-за самого факта существования электронов?
                Возмущения это же флуктуации?
                • 0
                  В такой вселенной электроны не могут быть неподвижными. Вообще говоря, электроны никогда не могут быть неподвижными — это же волны, а волны неподвижными не бывают. При движении же электронов в электромагнитном поле будут возникать возмущения.
                  • 0
                    Получается что электроны взаимодействуют исключительно потому что они обладают полем и движутся друг относительно друга?

                    PS ведь электромагнитное поле в котором они движутся создано ими же. Вроде так?
                    • 0
                      Нет. Электроны могут взаимодействовать даже если неподвижны… ну то есть могли бы, если бы умели быть неподвижными. А все потому что они взаимодействуют не друг с другом — а с полем. Электромагнитное же поле не нуждается в фотонах для своего существования.

                      Электрон ускоряется в направлении «от» другого электрона — что сразу же вызывает изменение в поле. Эти изменения распространяются во все стороны — но главным образом назад, компенсируя тем самым изменение импульса электрона. Фотон не вылетает из электрона — но создается «вокруг» него, как от движущегося в воде предмета расходятся волны.

                      Это представления электродинамики. Что меняется в квантовой теории? Почти ничего. Просто теперь электрон при движении меняет поле вокруг себя, создавая возмущения, не непрерывно — а «рывками», квантами. Больше ничего не изменилось.
                      • 0
                        ЭМ поле разве не из фотонов «сделано»? Мне всегда казалось что поле ну если говорить обывательским языком сделано из фотонов.
                        Видимо в этом корень моих заблуждений по поводу электронов и «запаса» фотонов в них.
                        • 0
                          Нет. Поле — это базовая форма материи.
                          • 0
                            Это то я помню из курса физики. Это еще в школе поясняют что две формы существования материи: вещество и поле.
                            Спасибо вы помогли мне преодолеть мое заблуждение.
                • 0
                  А проводились ли эксперименты по детектированию фотонов обеспечивающих взаимодействие между двумя заряженными частицами?

                  Интересно было бы посмотреть чем будут отличаться фотоны взаимодействия между частицами одного знака заряда и разных знаков.
                  • 0
                    Какие-то эксперименты наверняка были. Фотоны ничем не отличаются. Больше не скажу, потому что не физик…
              • 0
                По моему мнению, имеет смысл в одной статье использовать одни названия кварков на русском — или
                Кварки –… прелестный, истинный
                или
                Эксперимент позволил определить слабое взаимодействие верхних и нижних кварков
                Спасибо.
                • 0
                  А в чем ошибка-то? Тут не к переводчику вопросы — а к западным физикам, которые додумались дать настолько непереводимые названия для ароматов. Переводчик как раз перевел их правильно.

                  UDP: хотя нет, переводчик перепутал t- и b-кварки.
                  • +1
                    Так получилось, что первые два кварка назвали up и down, а последние два top и bottom. Поняв, что получилось не айс, bottom-кварк иногда называют beauty. Для топ-кварка второго имени не придумали. Теоретиков это мало волнует, потому что по одной букве все и так понятно.

                    Имхо, эти четыре кварка на русский переводить вообще не стоит, дабы избежать путаницы. А с charm и strange таких проблем нет.
                    • +4
                      для top-кварка второе название — true, отсюда и «истинный» по-русски

              Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

              Самое читаемое