Кванты полей

Квантом гравитационного поля является гравитон. Однако гравитон пока не установлен экспериментально, равно как и не построена по сей день теория квантовой гравитации.

Квантом электромагнитного поля является фотон Масса покоя фотона равна 0. Фотон не несет на себе элек­трического заряда. Это обеспечивает линейный характер электромагнитных взаимодействий и большой радиус их действия.

Квантами слабого взаимодействия являются три бозо­на — W⁺, W^-, Z⁰-бозоны. Верхние индексы указывают знак электрического заряда этих квантов. Кванты слабо­го взаимодействия имеют значительную массу, что приво­дит к тому, что слабое взаимодействие проявляется на очень коротких расстояниях.

Квантами сильного взаимодействия являются восемь глюонов. Свое название глюоны получили от английско­го слова glue (клей), ибо именно они ответственны за конфайнмент кварков. Массы покоя глюонов равны нулю. Однако глюоны обладают цветным зарядом, благодаря чему они способны к взаимодействию друг с другом, как говорят, к самодействию, что приводит к трудностям описания сильного взаимодействия математически ввиду его нели­нейности. Если слабое взаимодействие ответственно за из­менение ароматов кварков, то сильное взаимодействие, осу­ществляемое посредством обмена глюонами между кварка­ми, приводит к изменению цветов кварков. Так что в ядре постоянно происходят превращения протонов в нейтроны и наоборот — за счет обмена квантами слабого взаимодей­ствия между кварками, вследствие чего u-кварк превраща­ется в d-кварк и наоборот. Кроме этого внутри протонов и нейтронов кварки постоянно меняют свои цвета, испус­кая и поглощая глюоны. При этом протоны и нейтроны остаются бесцветными. Подобная инвариантность требует существования поля сильного взаимодействия для поддер­жания цветовой симметрии кварков. Хвост сильного вза­имодействия между кварками внутри протонов и нейтро­нов обеспечивает силы притяжения между протонами и протонами, протонами и нейтронами, нейтронами и нейтро­нами внутри ядра (ядерные силы).

Следует отметить, что взаимодействия, соответствующие калибровочной симметрии, характерны тем, что их величи­на определяется величиной заряда соответствующего вза­имодействия. То есть заряд калибровочного взаимодей­ствия одновременно определяет и величину заряда элемен­тарной частицы, и величину («силу») самого взаимодейст­вия, так называемую константу связи. В настоящую эпо­ху эволюции Вселенной константы связи различных вза­имодействий соотносятся следующим образом:

где a_S — константа связи сильного взаимодействия; а_Е — константа связи электромагнитного взаимодействия; a_W — константа связи слабого взаимодействия; a_G — константа связи гравитационного взаимодействия.

Современные физики считают, что такое соотношение существовало не всегда. Иными словами, рассматриваемые постоянные не являются постоянными. И существовала эпоха в эволюции Вселенной, когда эти константы были равны. А это означает, что не существовало различий между четырьмя типами физических взаимодействий. Именно это обстоятельство и стимулирует физиков в построении еди­ной теории всех физических взаимодействий — единой тео­рии поля. Однако для того, чтобы понять те физические идеи, на которых базируется построение этой теории, сле­дует сказать, что в действительности физика рассматривает материю не в двух проявлениях — веществе и поле, как это отмечается во многих физических справочниках, сло­варях и энциклопедиях, а в трех проявлениях. Третьим ка­чественно отличным от вышеназванных двух форм мате­рии является физический вакуум. Дело в том, что все кван­ты полей, рассмотренные нами ранее, являются векторными калибровочными бозонами. Калибровочными их называют по той причине, что они являются квантами калибровоч­ных полей. Векторными их называют потому, что все они имеют целочисленное значение спина, равного единице (1), за исключением гравитона, спин которого предполагается равным двум (2). Физический вакуум нашей Вселенной рассматривается как коллективные возбуждения хиггсо-вых скалярных бозонов, спин которых равен нулю (0). Именно физический вакуум является прародителем всех

частиц вещества и квантов полей, резервуаром, перекачка энергии из которого обеспечила их возникновение и фун­кционирование. Способность вакуума в ходе эволюции Вселенной изменять свое состояние и привела к многооб­разию форм физического мира.

Составление представлений о структуре материи на разных этапах эволюции науки представлено ниже: