Из фундаментальных сил в природе гравитационные силы (притяжения) были осознаны первыми, для них была создана математически понятая теория - теория Ньютона.
В теории тяготения Ньютона пространство и время не имеют тесной связи, который был установлен в теории относительности Эйнштейна.
В начале XX в. были открыты два новых фундаментальных типы связи: слабое взаимодействие, которое приводит ?-распад, и сильное взаимодействие, связывающее протоны и нейтроны в атомных ядрах. Эти типы связи не были открыты раньше, поскольку они действуют только на малых субатомных расстояниях, тогда как силы притяжения и электромагнитные силы дальнего действия, радиус действия их бесконечно большой.
Интенсивность взаимодействия принято характеризовать с помощью так называемой константы, которая является безразмерным параметром, определяющим вероятность процессов, обусловленных определенным видом взаимодействия. Отношение значений констант дает относительную интенсивность соответствующих взаимодействий.
Сейчас известно четыре вида взаимодействия между частицами, а именно: гравитационное, сильное, электромагнитное и слабое.
Гравитационное взаимодействие является самым слабым из перечисленных и в процессах микромира существенного значения не имеет. Правда, современная теория предполагает, что этот вид взаимодействия возможно будет основным внутри элементарных частиц. Однако современная техника эксперимента не позволяет проникнуть в глубины частиц и проверить выводы теории. В связи с этим ограничимся рассмотрением трех видов взаимодействия: сильное, электромагнитное и слабой.
Сильное взаимодействие характерна для тяжелых элементарных частиц (протонов, нейтронов и др..). Она предопределяет связь нуклонов в ядре. Именно поэтому сильное взаимодействие иногда называют ядерным. Особенностью ядерного взаимодействия является малое значение радиуса действия ядерных сил, который составляет около 1 хозяйстве (1СГ15 м).
Короткодия ядерных сил делает их подобными молекулярных сил, что позволило И. Е. Тамму 1933 выразить идею о обменный характер их. Дальнейшее развитие этой идеи принадлежит X. Юкава, который 1935 разработал теорию обменных сил. По теории Юкавы, ядерные силы (сильные взаимодействия) обязаны своим происхождением некоторым специальным частицам - мезонов, которыми обмениваются нуклоны в ядре. Этим виртуальным мезоном свойственна определенная масса и очень короткое время жизни - 1СГ23 с. За это время мезон, излученный нуклонов, пролетает расстояние около 10 ~ 15 м, возвращается назад и поглощается частицей, которая его породила. Если же поблизости есть другой нуклон, то он поглощает мезон и сразу излучает его. Вследствие такого обмена мезонами нуклоны взаимодействуют. В отличие от сильного взаимодействия для электромагнитного взаимодействия нарушается закон сохранения изотопического спина.
Слабое взаимодействие в 10 ~ 14 раз слабее сильной. Этот тип взаимодействия ответственный за все виды ?-распада ядер, за спонтанный распад большинства элементарных частиц, за процессы взаимодействия нейтрино с веществом. Слабые взаимодействия характеризуются безразмерной / 2
константой = 10, где f - электронно-нейтринный заряд пс
соответствует гипотетическому полю слабых взаимодействий. Различают слабые процессы с участием лептонов, которые классифицируются с помощью лептонного заряда, и слабые процессы, происходящие с изменением странности и классифицируются с помощью этого понятия. При этом константа слабого взаимодействия одинакова не только для всех видов лептонного процессов, но и в первом приближении совпадает также с константой взаимодействия процессов, проходящих с изменением странности.
Слабое взаимодействие, как и сильная, является короткодействующим. Характерное время для слабого взаимодействия составляет Ю ~ 10 с.
Ученые считают, что слабое взаимодействие имеет также обменный характер и переносится специфическим векторным мезонным полем. Ему отвечают три сорта заряженных и нейтральных промежуточных векторных бозонов: W +, W ~ и Z °. Для слабого взаимодействия нарушаются законы сохранения изотопического спина, странности, четности (см. раздел 18.10).
Электромагнитные и гравитационные взаимодействия приходят обратно пропорционально квадрату расстояния между частицами, а потому о какой-то определенный радиус действия для них не идет. Одновременно экспериментальный характер зависимости ядерных сил от расстояния позволяет определить радиус их действия - порядка 10 15 м. Ядерные силы в сотни раз интен-сивниши от электромагнитных, однако из-за малого радиуса действия были обнаружены совсем недавно, когда физический эксперимент позволил проникнуть внутрь атомного ядра. В табл. 18.1 приведены основные характеристики всех взаимодействий (q - электрический заряд, В - барионный заряд, S - странность, J - изотопический спин).