Введення
Сучасні досягнення фізики високих енергій усе більше зміцнюють уявлення, що різноманіття властивостей Природи обумовлено взаємодіючими елементарними частками. Дати неформальне визначення елементарної частинки, мабуть, неможливо, оскільки мова йде про самих первинних елементах матерії. На якісному рівні можна говорити, що істинно елементарними частинками називаються фізичні об'єкти, які не мають складових частин.
Очевидно, що питання про елементарності фізичних об'єктів - це в першу чергу питання експериментальний. Наприклад, експериментально встановлено, що молекули, атоми, атомні ядра мають внутрішню структуру, що вказує на наявність складових частин. Тому їх не можна вважати елементарними частинками. Порівняно недавно відкрито, що такі частинки, як мезони і баріони, також володіють внутрішньою структурою і, отже, не є елементарними. У той же час у електрона внутрішня структура ніколи не спостерігалася, і, значить, його можна віднести до елементарним частинкам. Іншим прикладом елементарної частинки є квант світла - фотон.
Сучасні експериментальні дані свідчать, що існує тільки чотири якісно різних види взаємодій, в яких беруть участь елементарні частинки. Ці взаємодії називаються фундаментальними, тобто самими основними, вихідними, первинними. Якщо взяти до уваги все різноманіття властивостей оточуючого нас Миру, то здається зовсім дивним, що в Природі є тільки чотири фундаментальні взаємодії, відповідальних за всі явища Природи.
Крім якісних відмінностей, фундаментальні взаємодії відрізняються в кількісному відношенні за силою впливу, яка характеризується терміном інтенсивність. У міру збільшення інтенсивності фундаментальні взаємодії розташовуються в наступному порядку: гравітаційне, слабке, електромагнітне і сильне. Кожне з цих взаємодій характеризується відповідним параметром, званим константою зв'язку, чисельне значення якого визначає інтенсивність взаємодії.
Яким чином фізичні об'єкти здійснюють фундаментальні взаємодії між собою? На якісному рівні відповідь на це питання виглядає наступним чином. Фундаментальні взаємодії переносяться квантами.
При цьому в квантовій області фундаментальних взаємодій відповідають відповідні елементарні частинки, звані елементарними частками - переносниками взаємодій. У процесі взаємодії фізичний об'єкт випускає частинки - переносники взаємодії, які поглинаються іншим фізичним об'єктом. Це веде до того, що об'єкти як би відчувають один одного, їх енергія, характер рухи, стан змінюються, тобто вони відчувають взаємний вплив.
В сучасної фізики високих енергій все більшого значення набуває ідея об'єднання фундаментальних взаємодій. Згідно ідеям об'єднання, в Природі існує тільки одне єдине фундаментальне взаємодія, що проявляє себе в конкретних ситуаціях як гравітаційне, або як слабке, або як електромагнітне, або як сильне, або як їх деяка комбінація. Успішної реалізацією ідей об'єднання послужило створення стала вже стандартною об'єднаної теорії електромагнітних і слабких взаємодій. Йде робота по розвитку єдиної теорії електромагнітних, слабких і сильних взаємодій, отримала назву теорії великого об'єднання. Робляться спроби знайти принцип об'єднання всіх чотирьох фундаментальних взаємодій.
Сила тяжіння
Силою тяжкості називають рівнодіючу двох сил - сили ньютонівського тяжіння всієї масою Землі і відцентрової сили, що виникає внаслідок добового обертання Землі. Віднесені до одиниці маси, ці сили характеризуються прискореннями сили тяжкості g = F/m, ньютонівського тяжіння f = Fн/m і відцентровим P = P/m. Прискорення сили тяжіння дорівнює геометричній сумі прискорення тяжіння і відцентрового прискорення. Зазвичай в гравіметрії, коли говорять "сила тяжіння", увазі саме прискорення сили тяжіння.
Гравітаційне взаємодія
Це взаємодія носить універсальний характер, в ньому беруть участь всі види матерії, всі об'єкти природи, всі елементарні частинки! Загальноприйнятою класичної (не квантової) теорією гравітаційної взаємодії є ейнштейнівська загальна теорія відносності. Гравітація визначає рух планет в зоряних системах, відіграє важливу роль у процесах, що протікають в зірках, управляє еволюцією Всесвіту, в земних умовах проявляє себе як сила взаємного притягання. Звичайно, ми перерахували тільки невелике число прикладів із величезного списку ефектів гравітації.
Згідно загальної теорії відносності, гравітація пов'язана з кривизною простору-часу і описується в термінах так званої римановой геометрії. В даний час всі експериментальні та спостережні дані про гравітації вкладаються в рамки загальної теорії відносності. Однак дані про сильних гравітаційних полях по суті відсутні, тому експериментальні аспекти цієї теорії містять багато запитань. Така ситуація породжує появу різних альтернативних теорій гравітації, передбачення яких практично відрізнити від прогнозів загальної теорії відносності для фізичних ефектів в Сонячній системі, але ведуть до інших наслідків в сильних гравітаційних полях.
Якщо знехтувати всіма релятивістськими ефектами і обмежитися слабкими стаціонарними гравітаційними полями, то загальна теорія відносності зводиться до ньютонівської теорії всесвітнього тяжіння. У цьому випадку, як відомо, потенційна енергія взаємодії двох точкових частинок з масами m1 і m2 дається співвідношенням
де r - відстань між частинками, G - ньютонівська гравітаційна постійна, граюча роль константи гравітаційної взаємодії. Дане співвідношення показує, що потенційна енергія взаємодії V (r) відмінна від нуля при будь-якому кінцевому r і спадає до нуля дуже повільно. З цієї причини говорять, що гравітаційна взаємодія є дальнодействії.
З багатьох фізичних прогнозів загальної теорії відносності відзначимо три. Теоретично встановлено, що гравітаційні обурення можуть поширюватися в просторі у вигляді хвиль, званих гравітаційними.
Поширюються слабкі гравітаційні обурення в чому аналогічні електромагнітних хвиль. Їх швидкість дорівнює швидкості світла, вони мають два стани поляризації, для них характерні явища інтерференції і дифракції. Однак у силу надзвичайно слабкого взаємодії гравітаційних хвиль з речовиною їх пряме експериментальне спостереження досі не було можливо. Тим не менше дані деяких астрономічних спостережень по втраті енергії в системах подвійних зірок свідчать про можливе існування гравітаційних хвиль в природі.
Теоретичне дослідження умов рівноваги зірок в рамках загальної теорії відносності показує, що за певних умов досить масивні зірки можуть почати катастрофічно стискатися. Це виявляється можливим на досить пізніх стадіях еволюції зірки, коли внутрішній тиск, обумовлене процесами, відповідальними за світність зірки, не в змозі зрівноважити тиск сил тяжіння, що прагнуть стиснути зірку. В результаті процес стиснення вже нічим не може бути зупинений. Описане фізичне явище, передбачене теоретично в рамках загальної теорії відносності, отримало назву гравітаційного колапсу. Дослідження показали, що якщо радіус зірки стає менше так званого гравітаційного радіуса
Rg = 2GM/c2,
де M - маса зірки, а c - швидкість світла, то для зовнішнього спостерігача зірка гасне. Ніяка інформація про процеси, що йдуть у цій зірці, не може досягти зовнішнього спостерігача. При цьому тіла, які падають на зірку, вільно перетинають гравітаційний радіус. Якщо в якості такого тіла мається на увазі спостерігач, то нічого, окрім посилення гравітації, він не помітить. Таким чином, виникає область простору, в яку можна потрапити, але з якої нічого не може вийти, включаючи світловий промінь. Подібна область простору називається чорною дірою. Існування чорних дір є одним з теоретичних передбачень загальної теорії відносності, деякі альтернативні теорії гравітації побудовані саме так, що вони забороняють такого типу явища. У зв'язку з цим питання про реальність чорних дір ма...
