Základná interakcia

Základná interakcia (hmotných objektov) alebo základná sila je mechanizmus, ktorým na seba pôsobia elementárne častice, a ktorý už nemôže byť opísaný inou interakciou.

V časticovej fyzike pod základnými interakciami rozumieme spôsoby, akými elementárne častice interagujú medzi sebou. Interakciu považujeme za základnú, ak sa nedá opísať pomocou iných interakcií. Sú známe štyri základné interakcie, všetky sú bezkontaktné, a to sú elektromagnetizmus, silná interakcia, slabá interakcia a gravitácia. Tieto interakcie, s výnimkou gravitácie, možno zvyčajne popísať sadou matematických aproximačných metód známych ako teória odchýlok, a sú prenášané výmenou kalibračných bozónov medzi časticami. Napriek tomu existujú situácie, kde teória odchýlok neposkytuje dostatočný popis pozorovaných javov.

Prehľad

Podľa koncepčného modelu základných interakcií sa hmota skladá z fermiónov, ktoré sú nositeľmi vlastností zvaných náboj a spin v hodnote ±¹⁄₂. Fermióny sa priťahujú alebo odpudzujú navzájom pomocou výmeny bozónov.

Interakciu hocijakého páru fermiónov môžeme podľa teórie odchýlok modelovať takto:

Vstupujú dva fermióny – interakcia pomocou výmeny bozónov – vystupujú dva zmenené fermióny.

Výmena bozónov vždy prenáša energiu a moment hybnosti medzi fermiónmi, a tým menia ich rýchlosť a smer. Výmena môže tiež prenášať náboj medzi fermiónmi a meniť tým náboj fermiónov zapojených do procesu (napr. zmeniť typ fermiónu na iný). Pretože bozóny nesú jednu jednotku uhlového momentu, tak smer spinu fermiónu sa zmení z +¹⁄₂ na −¹⁄₂ a opačne počas interakcie.

Pretože následkom interakcií sa fermióny priťahujú a odpudzujú navzájom, tak v minulosti sa pre interakciu používal termín sila.

Dnes sú známe štyri základné interakcie alebo sily : gravitácia, elektromagnetizmus, slabá interakcia a silná interakcia. Ich sila a správanie sa značne odlišujú a sú popísané v tabuľke nižšie. Moderná fyzika sa pokúša vysvetliť každý pozorovaný fyzikálny jav pomocou týchto základných interakcií. Redukovanie počtu typov základných interakcií sa zdá vhodné. Dva prípady sú príkladom zjednotenia:

elektrická a magnetická sila zjednotená do elektromagnetizmu
elektromagnetická interakcia a slabá interakcia do elektroslabej interakcie

Obe, magnitúda (relatívna sila) a dosah, podľa tabuľky, majú význam len v pomerne zložitom teoretickom rámci. Treba poznamenať, že tabuľka nižšie je zoznamom vlastností koncepčnej schémy, ktorá je stále vo výskume.

Interakcia	Súčasná teória	Prenášajúca častica	Relatívna sila^{[Pozn. 1]}	Správanie na veľkú vzdialenosť	Dosah (m)
Silná	Kvantová chromodynamika (QCD)	gluóny	10³⁸	${1}$ (pozri nižšie)	10⁻¹⁵
Elektromagnetizmus	Kvantová elektrodynamika (QED)	fotóny	10³⁶	${\frac {1}{r^{2}}}$	∞
Slabá	Elektroslabá teória	W a Z bozóny	10²⁵	${\frac {1}{r}}\ e^{-m_{W,Z}\ r}$	10⁻¹⁸
Gravitácia	Všeobecná relativita (GR)	gravitóny (hypotetický)	1	${\frac {1}{r^{2}}}$	∞

Moderná kvantová mechanika pozerá na základné sily, okrem gravitácie, ako na častice hmoty, ktoré nepôsobia priamo na seba, ale skôr nesú náboj a vymieňajú si virtuálne častice (kalibračné bozóny), ktoré sú nositeľmi interakcií alebo sprostredkovateľmi sily. Napríklad fotóny prenášajú interakciu elektrického náboja a gluóny prenášajú interakciu farebného náboja.

Interakcie

Gravitácia

Bližšie informácie v hlavnom článku: Gravitácia

Gravitácia je ďaleko najslabšia zo štyroch interakcií. V časticovej fyzike je preto vždy ignorovaná. To, že je tak slabá môžeme demonštrovať jednoduchým pripnutím sponky na magnet. Magnet dokáže udržať sponku oproti gravitácii celej zeme.

Napriek tomu je gravitácia veľmi dôležitá pre makroskopické objekty a makroskopické vzdialenosti z nasledovných dôvodov – gravitácia:

je jediná interakcia, ktorá pôsobí na všetky hmotné častice
má nekonečný dosah, ako elektromagnetizmus, ale na rozdiel silnej a slabej interakcie
nemôže byť pohltená, zmenená ani sa nedá proti nej tieniť
vždy je príťažlivá a nikdy odpudivá

Napriek tomu, že elektromagnetizmus je omnoho silnejší ako gravitácia, pri veľkých nebeských telesách ako planéty, hviezdy a galaxie elektrostatická príťažlivosť nie je relevantná. Jednoducho preto, že takéto telesá obsahujú rovnaký počet protónov a elektrónov a majú nulový elektrický náboj. Gravitácia sa nedá odrušiť, pretože je len príťažlivá, na rozdiel od elektrických síl, ktoré priťahujú aj odpudzujú. Na druhej strane, všetky telesá s hmotnosťou podliehajú gravitácii, a tá je iba príťažlivá a preto je jediná relevantná sila v obrovských mierkach štruktúry vesmíru.

Gravitácia je vďaka svojmu dosahu zodpovedná za také obrovské javy ako je štruktúra galaxií, čierne diery a rozpínanie vesmíru. Gravitácia vysvetľuje tiež astronomické javy v menších mierkach ako napr. obežné dráhy planét, ako aj každodenné javy ako, že veci padajú.

Gravitácia bola prvá matematicky popísaná interakcia. V staroveku Aristoteles predpokladal, že objekty s rozdielnymi hmotnosťami padajú rozdielnou rýchlosťou. Počas vedeckej revolúcie Galileo Galilei experimentálne dokázal, že to tak nie je – trenie spôsobené odporom vzduchu je zanedbateľné, všetky objekty zrýchľujú smerom k zemi rovnakým tempom. Newtonov univerzálny gravitačný zákon (1687) bol dobrým opisom pôsobenia gravitácie. Naše súčasné chápanie gravitácie pochádza z Einsteinovej Všeobecnej teórie relativity z roku 1915 a presnejšiemu popisu gravitácie v rámci geometrie časopriestoru.

Spojenie všeobecnej relativity a kvantovej mechaniky do všeobecnejšej teórie kvantovej gravitácie je predmetom aktívneho výskumu. Predpokladá sa, že gravitácia je prenášaná nehmotnou časticou so spinom 2 tzv. gravitónom.

Aj keď všeobecná relativita bola experimentálne potvrdená vo všetkých mierkach až na tie najmenšie, tak existujú aj iné teórie gravitácie. Tie, ktoré vedecká komunita berie vážne, sa v nejakom bode zhodujú so všeobecnou relativitou. Výskum sa zameriava na určenie limitov možných odchýlok od všeobecnej relativity.

Elektroslabá interakcia

Bližšie informácie v hlavnom článku: Elektroslabá interakcia

Elektromagnetizmus a slabá interakcia sa javia ako veľmi odlišné pri bežných nízkych energiách. Môžu byť modelované pomocou dvoch odlišných teórií. Napriek tomu nad zjednocujúcou energiou v rádoch 100GeV sa spoja do jedinej elektroslabej sily.

Elektroslabá teória je veľmi dôležitá pre modernú kozmológiu a čiastočne aj pre vysvetlenie vývoja vesmíru. To pretože krátko po veľkom tresku bola teplota zhruba 10¹⁵ K a elektromagnetická sila a slabá sila boli spojené v jednej kombinovanej elektroslabej sile.

Za prínos k zjednoteniu slabej a elektromagnetickej interakcie boli fyzici Abdus Salam, Sheldon Glashow a Steven Weinberg v roku 1979 ocenení Nobelovou cenou za fyziku..^[1]^[2]

Elektromagnetizmus

Bližšie informácie v hlavnom článku: Elektromagnetizmus

Elektromagnetizmus je sila pôsobiaca medzi elektricky nabitými časticami. Tento jav zahŕňa elektrostatickú silu pôsobiacu medzi nabitými časticami, ako aj kombinovaný efekt elektrickej a magnetickej sily pôsobiacej medzi nabitými časticami pohybujúcimi sa navzájom.

Elektromagnetizmus má nekonečný dosah ako gravitácia, ale je omnoho silnejší, a preto opisuje takmer všetky každodenné makroskopické javy od nepriepustnosti pevných látok, trenie, dúhu, blesky a všetky ľuďmi vyrobené zariadenia, ktoré používajú elektrický prúd ako TV, lasery a počítače. Elektromagnetizmus určuje všetky makroskopické, a aj mnohé mikroskopické, vlastnosti chemických prvkov, vrátane chemických väzieb.V štyroch kg (~1galón) vody nádobe je $4000\ {\mbox{g}}\,H_{2}O\cdot {\frac {1\ {\mbox{mol}}\,H_{2}O}{18\ {\mbox{g}}\,H_{2}O}}\cdot {\frac {10\ {\mbox{mol}}\,e^{-}}{1\ {\mbox{mol}}\,H_{2}O}}\cdot {\frac {96,000\ {\mbox{C}}\,.}{1\ {\mbox{mol}}\,e^{-}}}=2.1\times 10^{8}C\ \,.\$ náboja v elektrónoch. Preto ak položíme dve také nádoby meter od seba, elektróny v jednej nádobe odpudzujú tie v druhej nádobe silou ${1 \over 4\pi \varepsilon _{0}}{\frac {(2.1\times 10^{8}C)^{2}}{(1m)^{2}}}=4.1\times 10^{26}N$ Jadrá v jednej nádobe odpudzujú tie v druhej nádobe rovnakou silou. Napriek tomu, tieto odpudivé sily sa navzájom vyrušia príťažlivosťou medzi elektrónmi v nádobe A a jadrami v nádobe B a príťažlivosťou medzi jadrami v nádobe A a elektrónmi v nádobe B, čoho výsledkom je nulové silové pôsobenie. Záver je jasný: elektromagnetické sily sú neporovnateľne silnejšie ako gravitácia, ale majú tendenciu vyrušiť sa navzájom tak dokonale, že gravitácia môže v prípade veľkých telies dominovať.

Elektrické a magnetické javy pozorovali od staroveku, ale iba v 19. storočí sme zistili, že elektrina a magnetizmus sú dva prejavy jednej základnej interakcie. Maxwellove rovnice v roku 1864 dôsledne popísali túto zjednotenú interakciu. Maxwellova teória, s použitím vektorov, je klasickou teóriou elektromagnetizmu a je vhodná na väčšinu technologických účelov.

Konštantná rýchlosť svetla vo vákuu sa dá odvodiť z Maxwellových rovníc, ktoré nie sú v rozpore so špeciálnou relativitou.

V inej práci vzniknutej z klasického elektromagnetizmu, Einstein tiež vysvetlil fotoelektrický jav pomocou predpokladu, že svetlo je prenášané v kvantách, ktoré teraz nazývame fotóny. V 1927 Paul Dirac skombinoval kvantovú mechaniku s relativistickou teóriu elektromagnetizmu. Ďalšími prácami v 40. rokoch 19. storočia Richard Feynman, Freeman Dyson, Julian Schwinger a Šiničiró Tomonaga skompletizovali túto teóriu, ktorú teraz nazývame kvantová elektrodynamika, revidovaná teória elektromagnetizmu. Kvantová mechanika a kvantová elektrodynamika poskytuje teoretický základ pre elektromagnetické správanie ako kvantové tunelovanie, v ktorom sa určité percento elektricky nabitých častíc pohybuje spôsobom, ktorý by bol v klasickej elektromagnetickej teórii nebol možný a ktorý je potrebný pre každodenne používané elektronické zariadenia ako napr. tranzistory.

Slabá interakcia

Bližšie informácie v hlavnom článku: Slabá interakcia hmotných objektov

Slabá interakcia alebo aj slabá jadrová sila je zodpovedná za niektoré jadrové javy ako napr. beta rozklad. Elektromagnetizmus a slabú silu v súčasnosti považujeme za dva prejavy zjednotenej elektroslabej interakcie – tento objav bol prvým krokom k zjednocujúcej teórii známej ako štandardný model. V teórii elektroslabej interakcie sú nositeľmi slabej sily hmotné kalibračné bozóny W a Z. Slabá interakcia je jediná známa interakcia, ktorá nezachováva paritu, je stranovo asymetrická. Slabá interakcia porušuje CP symetriu, ale zachováva CPT symetriu.

Silná interakcia

Bližšie informácie v hlavnom článku: Silná interakcia hmotných objektov

Silná interakcia alebo aj silná jadrová sila je najkomplikovanejšia interakcia, hlavne pre to ako sa jej vplyv mení so vzdialenosťou. Vo vzdialenosti väčšej ako 10 femtometrov je silná sila prakticky nepozorovateľná. Navyše sa nachádza iba vo vnútri jadier atómov.

Po objave jadra v roku 1908 bolo jasné, že bola potrebná nová sila na prekonanie elektrostatickej odpudivosti, prejavu elektromagnetizmu pozitívne nabitých protónov. Inak by jadro nemohlo existovať.Navyše sila by mala byť dostatočne silná na stlačenie protónov do objemu, ktorý je 10⁻¹⁵ celého atómu. Z krátkeho dosahu tejto sily Hideki Yukawa predpokladal, že je spojená s hmotnou časticou, ktorej hmotnosť je približne 100MeV.

Objav piónu v roku 1947 ohlásil modernú éru časticovej fyziky. Stovky hadrónov bolo objavených medzi 40. až 60. rokmi 20. storočia, a vyvinuli sme extrémne komplikovanú teóriu hadrónov ako silne interagujúcich častíc. Predovšetkým:

Chápeme pióny ako vlnenie vákuových kondenzátov
Jun John Sakurai predpokladal, že vektorové bozóny rho a omega sú častice prenášajúce silu pre približné symetrie izospinu a hypernáboja
Geoffrey Chew, Edward K. Burdett a Steven Frautschi zoskupili ťažšie hadróny do skupín, ktoré môžeme chápať ako vibračné a rotačné vybudenia strán.

Aj keď každý z týchto pokrokov nám poskytol hlbší pohľad, žiadny z nich neviedol k základnej teórii.

Murray Gell-Mann spolu s Georgom Zweigom v roku 1961 ako prví predpokladali čiastočne nabité častice, tzv. kvarky. V priebehu 60. rokov rôzni autori zvažovali teórie podobné modernej základnej teórii kvantovej chromodynamiky (QCD), ako jednoduché modely interakcií kvarkov. Ako prví s predpokladom gluónov podľa QCD prišli Moo-Young Han a Yoichiro Nambu, ktorí predstavili farebný náboj kvarkov a predpokladali, že môžu súvisieť s poľom prenášajúcim silu. Napriek tomu bolo ťažké si v tej dobe predstaviť, ako by takýto model mohol trvalo obsiahnuť kvarky. Han a Nambu tiež priradili každej farbe kvarku celočíselný elektrický náboj, takže kvarky mali zlomkový náboj iba v priemere a neočakávali, že ich model trvalo vymedzí kvarky.

Murray Gell-Mann a Harald Fritsch v roku 1971 potvrdili, že farebné kalibračné pole predstavené Hanom a Nambu bola správna teória interakcií kvarkov so zlomkovým nábojom na krátke vzdialenosti. O trochu neskôr David Gross, Frank Wilczek a David Politzer objavili, že táto teória vykazuje vlastnosti asymptotickej slobody, na základe čoho to mohli experimentálne dokázať. Nakoniec prišli k záveru, že QCD je úplná teória silnej interakcie, správna vo všetkých mierkach vzdialeností. Vďaka objavu asymptotickej slobody väčšina fyzikov prijala QCD, pretože objasnila, že vlastnosti silnej interakcie aj pri dlhých vzdialenostiach súhlasia s experimentami, ak trvalo vymedzia kvarky.

Za predpokladu vymedzenia kvarkov Nukhail Shifman, Arkady Vainshtein a Valentine Zharkov boli schopní vypočítať vlastnosti mnohých nízkopoložených hadrónov priamo z QCD a iba s málo extra parametrami popísali vákuum. Kenneth G. Wilson v roku 1980 publikoval počítačové výpočty založené na prvých princípoch QCD, potvrdzujúce s pravdepodobnosťou hraničiacou s istotou, že QCD obsahuje kvarky. Odvtedy sa QCD pokladá za potvrdenú teóriu silnej interakcie.

QCD je teória kvarkov so zlomkovým nábojom interagujúcich pomocou 8 častíc podobných fotónom nazývaných gluóny. Gluóny interagujú aj medzi sebou, nie len s kvarkami, a na dlhé vzdialenosti sa siločiary správajú ako struny. Týmto spôsobom matematická teória QCD vysvetľuje nielen ako kvarky interagujú na krátke vzdialenosti, ale aj správanie podobné strunám, ktoré vykazujú na väčšie vzdialenosti a ktoré objavili Chew a Frautschi.

Mimo štandardného modelu

Existuje mnoho teoretických pokusov o systematizáciu existujúcich štyroch základných interakcií na základe modelu zjednotenia elektroslabej sily.

Veľká teória zjednotenia (GUT – Grand Unified Theory) je návrh na preukázanie, že všetky základné interakcie, okrem gravitácie, vznikli z jednej sily so symetriou, ktorá sa rozpadá pri nízkych energiách. GUT predpokladá vzťahy medzi prírodnými konštantami, ktoré sa nezhodujú so štandardným modelom. GUT tiež predpokladá zjednotenie kalibračného zdvojenia pre relatívne sily elektromagnetickej, slabej a silnej interakcie, potvrdenej v LEP v 1991.

Teórie všetkého, ktoré integrujú GUT a teóriu kvantovej gravitácie čelia veľkej prekážke, pretože žiadna teória kvantovej gravitácie, zahŕňajúca teóriu strún, slučkovú kvantovú gravitáciu a twistorovú teóriu nie je široko akceptovaná. Niektoré teórie hľadajú gravitón na skompletizovanie štandardného modelu, zatiaľ čo iné, ako slučková kvantová gravitácia, obsahujú možnosť, že samotný časopriestor môže byť jej kvantovým prejavom.

Niektoré teórie mimo štandardného modelu zahŕňajú hypotetickú piatu silu a hľadanie takejto sily pokračuje s experimentálnym výskumom vo fyzike. V supersymetrických teóriách sú častice, ktoré získavajú hmotnosť iba vďaka efektom rozpadu supersymetrie a tieto častíc, známe ako moduli môžu prenášať nové sily. Ďalším dôvodom pre hľadanie nových síl je nedávny objav zrýchľovania rozpínania vesmíru (t. j. tmavá energia). Práve preto je potrebné vysvetliť nenulovú kozmologickú konštantu a možno aj inak modifikovať všeobecnú relativitu. predpokladá sa, že piata sila vysvetlí také javy ako porušenia CP, tmavú hmotu a tmavú energiu.

Poznámky

↑ Približne. Pozri väzbovú konštantu pre presnejšie informácie.

Referencie

↑ BAIS, Sander. The Equations. Icons of knowledge. [s.l.] : [s.n.], 2005. ISBN 0-674-01967-9. p.84
↑ The Nobel Prize in Physics 1979 [online]. The Nobel Foundation, [cit. 2008-12-16]. Dostupné online.