Квантовая теория передачи взаимодействий

Главные положения этой теории сформулированы в середине двадцатого века. Здесь произошло объединение ряда релятивистских представлений, которые были развиты А. Эйнштейном в квантовых идеях и теории относительности, а также появившихся в физике с рождением теории атома, созданной в 1920-х гг. рядом исследователей:

• В. Гейзенбергом;
• Н. Бором;
• П. Дираком;
• Э. Шредингером.

Квантовая теория поля заложила представление о существовании элементарных свойств, частиц описывающихся в теории относительности. Они происходят в физических процессах, в микромире, уничтожаются и рождаются как единое целое. Учитывая все величины физических характеристик, они строго квантованы, фиксированы.

Взаимодействие между частицами

Нестабильность ряда элементарных частиц есть проявлением их общего свойства взаимопревращаемости и, при этом является следствием общего взаимодействия их фундаментальных составляющих. В наши годы известны 4 базовых типа взаимодействия:

• электромагнитное;
• сильное;
• слабое;
• гравитационное.

Они различаются по силе взаимодействия.

Квантовые поля

Термин квантового поля сформировался в физике как синтез представлений о физических полях наподобие полей вероятностей и электромагнитного поля Фарадея — Максвелла, описываемых в квантовой механике волновыми функциями. Стоит отметить, что физические поля были введены, когда появилась необходимость полностью отказаться от принципа мгновенного действия сил, который существовал в механике Ньютона.

Было введено, что пространство между взаимодействующими частицами (например, двумя электрическими зарядами) полностью заполнено полем. Оно является переносчиком взаимодействия частиц (с одной на другую), при этом перенос происходит с определенной скоростью. При передаче электромагнитного поля все действия отправляются одной заряженной частице на другую двигаясь со скоростью света и служит переносчиком для электромагнитного взаимодействия находящегося между частицами.

Учитывая квантовые поля, происходит процесс передачи взаимодействия, он поступает квантами — порциями, где в качестве последних выступают уже элементарные частицы. Они имеют фиксированные характеристики массы, заряда, спина и др. Подобным образом, с одной стороны, взаимодействующие частицы имеют общие квантованные характеристики массы, заряда, спина, а с иной стороны, передается взаимодействие между ними квантовым полем определенного типа с квантованными характеристиками.

Квантовая теория слабого взаимодействия

В середине 1960-х гг. квантовая теория для слабого взаимодействия аналогична квантовой электродинамике. В физике относят к слабым процессам бета-распад элементарных частиц (например, нейтрона) и ядер, где происходит рождение позитрон-нейтринных или электрон-нейтринных (анти нейтринных) пар, процессы захвата ядрами мюонов или электронов, и процессы рассеяния нейтрино, находящихся на протонах, электронах или в ядрах атомов (существуют подобные процессы слабого рассеяния электронов). Учитывая КТП, элементарным актом слабого взаимодействия, стал процесс рождения нуклоном (нейтроном или протоном), а также электроном (тау-мезоном, мюоном) тяжелого нейтрального ($Z0$), заряженного ($W+$, $W-$) и бозона, который мгновенно распадается на пару частиц.

Тяжелый промежуточный бозон служит подобным же передаточным звеном, каким является в электромагнитном процессе виртуального гамма-кванта. В отличие от последнего, бозоны также имеют огромную массу, и радиус взаимодействия, который оказывается довольно малым, около 10-17 сантиметров. Это есть радиус слабого взаимодействия. При этом тот факт, что физическая картина слабого и электромагнитного взаимодействий оказывается аналогичной, помог физикам создать общую теорию, где два взаимодействия объединяются в единое электрослабое, при довольно высоких энергиях частиц. Возникает различие между ними во время перехода от больших энергий к малым, в сфере же высоких энергий оно фактически исчезает.

Теория сильного взаимодействия

По подобному же принципу была построена квантовая теория для сильного взаимодействия, которая лежит в основе современных представлений касательно структуры элементарных частиц. Учитывая эту теорию, элементарные частицы — барионы и мезоны, наблюдаются во время эксперимента, — они были построены из кварков.

Происходит взаимодействие между ними путем обмена глюонами, которые имеют массу 0 и спин 1. При этом кварки имеют спин $\frac {1}{2}$ и даже отличную от нуля массу, они составляет электрический заряд кварков $+\frac {2}{3}$ или $-\frac {1}{3}$ заряда электрона, при этом они обладают уже дополнительными зарядами, которые называются «изоспаном», «цветом», «странностью» и др. Обмен глюонами при общем действии также изменяет их «цветовую» характеристику. Есть шесть типов различных кварков: $u$, $d$, $s$, $c$, $b$, $t$.

Стоит выделить, что структурно барионы (например, нейтроны или протоны) построены из 3 кварков разных цветов, но в целом бесцветны (т. е. они имеют нулевой цветовой заряд), а мезоны — из антикварков и кварков и также как целое полностью бесцветны. В теоретических схемах предполагается, что кварки находятся лишь внутри элементарных частиц — барионов и мезонов, и не существуют в свободном виде.