Как устроены взаимодействия

В квантовой теории каждому взаимодействию (полю) соответствует частица-переносчик взаимодействия (квант поля).

Все фундаментальные взаимодействия осуществляются локально по- средством  тре¨хчастичного  взаимодействия4:  некоторая  частица  испускает или поглощает квант поля (частицу-переносчик взаимодействия), при этом исходная частица может превратиться в другую частицу. Какая частица шла впере¨д по времени, а какая назад здесь не очень важно: мы имеем либо одну частицу, превращающуюся в две, либо две, превращающиеся в одну. Если частица «движется назад по времени», то ее¨ следует считать античастицей. Античастицы обычно обозначают теми же буквами, что и частицы с чертой,

3Зарядами обычно называют сохраняющиеся величины, не зависящие от системы отсче¨та, например, электрический заряд — это заряд. Энергия, импульс и момент импульса сохраняют- ся, но зависят от системы отсче¨та и зарядами не считаются.

4Могут также рассматриваться взаимодействия с иным числом участников.

 

 

Рис. 1.1. Панорама ЦЕРНа (вид на запад). На снимке обозначено положение тонне- лей LHC (длина 27 км) и SPS (длина 7 км). Крестиками отмечена франко-швейцар- ская граница (снизу Швейцария). Предполагается, что на LHC удастся обнаружить бозон Хиггса. [§c  CERN http://cdsweb.cern.ch/record/39027]

обозначающей комплексное сопряжение (например, e¯ — антиэлектрон = по- зитрон). Впрочем, среди частиц бывают истинно нейтральные5, для них античастица совпадает с частицей.

Участвовать  в  том  или  ином  взаимодействии  (т. е.  испускать  впере¨д или назад по времени квант соответствующего поля) может только части- ца, которая несе¨т соответствующий данному полю источник (в некоторых случаях в роли источника выступает заряд). Сами частицы-переносчики взаимодействия также могут нести некоторые источники (это свойственно нелинейным теориям).

В процессе взаимодействия частицы могут нарушать релятивистское соотношение между энергией E, импульсом p и массой m

(mc²)2 = E² − (cp)2.

Такие «неправильные» частицы называются виртуальными. Они всегда яв- ляются промежуточными компонентами какого-то процесса, т. е. поймать

5Всякая истинно нейтральная частица является электрически нейтральной, но обратное не верно. Например, нейтрон электрически нейтрален, но антинейтрон — другая частица.

 

их и зафиксировать экспериментально «противозаконное» поведение нель- зя (если вы «поймаете» виртуальную частицу, то в процессе взаимодей- ствия с прибором она превратится в обычную). Благодаря таким несооб- разностям две частицы могут обмениваться квантами поля и при этом при- тягиваться, хотя классическая интуиция говорит нам, что, перекидываясь мячиком, можно только отталкивать друг друга.

Привычное из классики понимание взаимодействия как силы, действу- ющей между частицами, связано именно с обменом виртуальными час- тицами.

Некоторые взаимодействия создают заметные силы только на столь ма- лых расстояниях, что экспериментально измерить их как силы невозможно (таково слабое взаимодействие). Проявляются такие взаимодействия, как законы превращения (рождения/поглощения) частиц. На взаимодействия правильнее смотреть не как на силы, а как на превращения. Это относится и к фундаментальным взаимодействиям, через которые могут быть выра- жены все остальные.