От атома до Космоса- обобщение

    Със съвременните телескопи могат да се наблюдават около 100 милиарда галактики. Галактиките са основните структурни единици на Вселената. Всяка галактика е изградена от милиони или милирди звезди. Някои звезди, подобно на Слънцето, имат планети. Много е вероятно на част от тези планети условията да са близки до земните. Възможен ли е живот извън Земята? Съвременната наука все още не разполага с убедителни аргументи, които да подкрепят или да отхвърлят хипотезата за съществуването на живот в космос и на "братя по разум". Това, което днес с увереност може да се твърди, е, че физичните закони, проверени в земните лаборатории, остават в сила за цялата Вселена и всички явления в нея се обясняват с помощта на тези закони. Затова например, когато изучаваме миналото на Вселената, можем да получим много важна, макар и косвена, информация за поведението на елементарните частици в екстремални условия- при толкова високи енергии (непосредствено след Големия взрив), каквито са немислими дори и в най-смелите проекти за бъдещи ускорители на заредени частици.

    Колкото се навлиза по- навътре в структурата на материята, толкова по- здраво са свързани помежу си градивните й частици. Например за избиване на валентен електрон от обвивката на атома е достатъчна енергия само няколко електронволта (eV). За да достигне за пръв път до атомното ядро обаче, Ръдърфорд е трябвало да използва получените от радиоактивен източник алфа- частици, чиято енергия е няколко милиона електронволта (MeV). В съвременните ускорители се получават  заредени частици с енергия от десетки и стотици милиарди електронволта (GeV), с които се бомбардират протоните и се достига до кварките. Имат ли самите кварки вътрешна структура или са истински елементарни частици- крайната степен на "надробяване" на материята? За да се провери това, трябва да се изследват ударите между частици с още по- големи енергии (над 1013 eV), което засега е технически невъзможно.

    Според съвременните експериментелни данни и теоретични модели, материята е изградена от два вида частици: лептони и кварки. Засега няма данни за техните размери и вътрешна структура, затова те се разглеждат безструктурни точкови обекти.

Фундаментални взаимодействия

    Всички природни явления могат да се обяснят посредством четири типа фундаментални взаимодействия между елементарните частици: електромагнитно взаимодействие, силно (ядрено) взаимодействие, слабо взаимодействие и гравитационно взаимодействие (фиг. 15-1).

    Електроните обикалят около атомните ядра под действие на електричните сили на привличане. Това привличане, както и всички други електромагнитни взаимодействия, се осъществява чрез електромагнитното поле. В електромагнитни взаимодействия участват както кварките, така и лептоните.

    Взаимодействието между кварките се нарича силно взаимодействие, защото е около 100 пъти по- интензивно от електромагнитното. Ядреното взаимодействие между протоните и неутроните също се дължи на взаимодействието между кварките, т.е. то е силно взаимодействие. Всички бариони и мезони участват в силни взаимодействия, докато лептоните, които не са изградени от кварки, не участват в тях.

    Нестабилността на редица ядра и частици, както и бета- разпадането, се дължат на един друг вид взаимодействие между елементарните частици, наречено слабо взаимодействие, защото е около 1000 пъти по- слабо от електромагнитното. В него участват и кварките, и лептоните.

    Гравитацията е универсално взаимодействие, в което участват всички частици. Гравитационните сили, с които например се привличат електронът и протонът във водородния атом, са около 1037 пъти по- малки от силите на електрично привличане между същите две частици. Затова във физиката на микрочастиците гравитацията не се отчита. В мащабите на Вселената обаче тя играе решаваща роля.

Фиг. 15- 1. Фундаментални взаимодействия

    И така, цялата материя е изградена от лептони и кварки. Съществуват четири фундаментални взаимодействия между елементарните частици. В електромагнитното, слабото и гравитационното взаимодействие участват всички частици, докато силното взаимодействие е характерно само за кварките и за частиците, изградени от кварки (барионите и мезоните).

 

Частици и взаимодействия

    Според съвременните физични теории (фиг. 15-2) взаимодействията се осъществяват чрез посредници: специални частици, наречени носители на взаимодействието.

Фиг. 15-2. Частици и взаимодействия

    Електромагнитните взаимодействия се осъществяват чрез фотони, които се наричат кванти на електромагнитното поле  и са носители на електромагнитното взаимодействие. Взаимодействащите частици непрекъснато обменят фотони (изпускат и поглъщат), в резултат на което взаимно се привличат или отблъскват. Тези фотони се наричат виртуални фотони, защото те не съществуват самостоятелно, а са неразривно свързани с взаимодействащите частици и изпълняват само ролята на посредник между тях. При определени условия обаче фотоните стават самостоятелни частици. Например, когато атомите преминават от едно квантово състояние в друго квантово състояние с по- малко енергия, те излъчват фотони. Веднъж излъчени, фотоните съществуват независимо от своя източник и могат да се регистрират- например да предизвикат почерняване на фотофилм или протичане на фототок.

    Силното взаимодействие между кварките се осъществява посредством физично поле, чиито кванти се наричат глуони (от англ. glue- лепило). Подобно на фотоните, глуоните са частици, които нямат маса на покой. Кварките в протоните и неутроните обменят глуони, които ги "слепват" в една здраво свързана система.

    Носителите на слабото взаимодействие, т. нар. W и Z частици, са открити експериментално на ускорителя в ЦЕРН- Женева при изследване ударите между протони и антипротони с голяма кинетична енергия. За разлика от фотоните и глуоните, те са "тежки" частици- масата им е около 100 пъти по- голяма от масата на протона. Един от проблемите на съвременната физика е да обясни защо фотоните нямат маса на покой, а масите на W и Z частиците са толкова големи. Това важно различие между носителите на електромагнитното и слабото взаимодействие е причината при ниски енергии тези взаимодействия ясно да се разграничават. При свръхвисоки енергии обаче различията между тях изчезват и двете взаимодействия се обединяват в т. нар. електрослабо взаимодействие.

    Гравитационното взаимодействие се осъществява посредством квантите на гравитационното поле, наречени гравитони. Гравитоните са безмасови частици, които все още не са открити експериментално.