Základní interakce

Z Multimediaexpo.cz

Název interakce Relativní velikost ÚměrnostDosah
Silná 1038 1/r710-15
Elektromagnetická 1036 1/r2\(\infty\)
Slabá 1025 1/r5 – 1/r710-18
Gravitace 100 1/r2\(\infty\)

Základní interakce (základní síly) umožňují popsat všechny známé způsoby vzájemného silového působení částic a pole.[1][2][3][4] Popisují nejrůznější fyzikální jevy od exploze supernovy až po vazby mezi kvarky v protonu. Tradičně fyzici uvažují o čtyřech: gravitaci, elektromagnetické síle, slabé interakci a silné interakci. Nyní se jeví, že alespoň tři z nich jsou různé aspekty jedné síly. Teorie elektromagnetismu a slabé síly byly sjednoceny do teorie elektroslabé interakce. Spekulativnější je sjednocení elektroslabé a silné síly v teorii velkého sjednocení. Jak začlenit i gravitaci je předmětem zkoumání v teorii kvantové gravitace. Říká se jim též „fundamentální síly“ avšak tato terminologie se může jevit zavádějící, neboť dle obecné teorie relativity není gravitace silou v newtonianském smyslu, ale zakřivením časoprostoru. Moderní pohled na tři interakce (tedy všechny až na gravitaci) předpokládá místo přímé interakce těles její zprostředkování polem. V kvantové teorii pole jsou tato pole asociována s jednou či více částicemi, které jsou označovány jako intermediální částice. Ostatní silová působení (např. odporové síly, kohezní síly apod.) lze vždy získat jako výsledek působení uvedených základních sil.

Obsah

Přehled interakcí

Gravitace

Gravitace je zdaleka nejslabší interakce, ale má největší dosah. Termín „největší dosah“ odkazuje nejen na to, že klesá s kvadrátem vzdálenosti, ale i že její účinek není vyrušen účinky opačně nabitých těles jako je tomu u elektromagnetické síly. Na rozdíl od ostatních interakcí, gravitace působí univerzálně na všechny látky a energie. Vzhledem k jejímu dosahu a tomu, že je úměrná jen hmotnosti objektu a ne například znaménku náboje, je rozhodující silou interakce velmi vzdálených objektů. Gravitací se zdůvodňují fenomény, jako je struktura galaxií, černá díra, velký třesk, oběžná dráha planety, ale i padání předmětů; či proč nemůžeme zvednout těžké předměty.

Gravitace byla jako první interakce popsána matematickými vzorci. Isaac Newton ji popsal v Newtonově gravitačním zákonu poměrně dobrou aproximací. V r. 1916 Albert Einstein zveřejnil obecnou teorii relativity, která popisuje gravitaci pomocí zakřivení časoprostoru. V současnosti se vědci snaží o spojení teorie obecné relativity a kvantové mechaniky do teorie kvantové gravitace. V této teorii by měly gravitaci přenášet částice gravitony, ty ale dosud nebyly pozorovány.

Elektromagnetická síla

Elektromagnetická síla působící mezi elektricky nabitými částicemi je často rozdělována na elektrostatickou sílu, působící na nabitá tělesa v klidu, a kombinaci elektrické a magnetické síly působící na tělesa pohybující se relativně vůči sobě. Elektromagnetická síla je poměrně silná ve větších vzdálenostech, a proto je zodpovědná za většinu každodenních jevů, lasery a rozhlasem počínaje až po strukturu atomu kovu či duhu. Elektromagnetismus byl klasicky popsán Maxwellovými rovnicemi koncem 19. století. Oblast kvantové fyziky kvantová elektrodynamika popisuje elektromagnetické jevy pomocí výměny fotonů.

Slabá interakce

Slabá interakce působí na všechny leptony a kvarky. Je to jediná síla působící na neutrino (působí na ně i gravitační síla, ale tak slabě, že to není v laboratorní praxi možné měřit). Slabá interakce umožňuje leptonům a kvarkům interagovat. Slabá jaderná interakce je zodpovědná za některé atomární jevy jako rozpad beta. Nosiči slabé interakce jsou bosony W± a Z.

Silná interakce

Silná jaderná interakce je síla držící nukleony a kvarky u sebe v jádrech atomů, je zde natolik silná, že udrží dva protony v jádře helia, přestože se elektromagneticky odpuzují. Jejími nosiči jsou gluony.

Současný vývoj

Standardní model je spojení teorie kvantové mechaniky tří základních sil - elektromagnetické, slabé a silné. Prozatím není žádná přijatelná teorie kvantové gravitace. Hledání přijatelné teorie kvantové gravitace a kvantově mechanické teorie velkého sjednocení je důležitou oblastí fyzikálního výzkumu. Dokud se tak nestane, nelze na gravitaci nahlížet jako na sílu, neboť pokud je nahlížena jako zakřivení časoprostoru, je povahy geometrické a nikoli dynamické. Čas od času je předpovídaná pátá interakce, většinou jako vysvětlení rozporu mezi naměřenou a předpokládanou velikostí kosmologické konstanty. Jejich rozdíl je asi největším rozdílem mezi teoretickou a naměřenou hodnotou ve fyzice, činí celých 120 řádů. Vysvětení se zatím nenašlo.

Vlastnosti

Zachovávající se veličiny

Při interakci se mohou zachovávat některé fyzikální veličiny. Některé zákony zachování jsou však platné pouze pro určitý druh interakce.

Veličina Interakce
gravitační elektromagnetická slabá silná
Energie + + + +
Hybnost + + + +
Moment hybnosti + + + +
Elektrický náboj + + + +
Leptonové číslo + + + +
Baryonové číslo + + + +
Podivnost + + - +
Izospin \(\mathbf{I}\) + + - -
Složka izospinu \(I_3\) + + - +
Vůně + + - +
Hypernáboj + + - +

Zachovávající se parita

Při interakci může dojít také k narušení parity. Následující tabulka ukazuje typy symetrií, které se zachovávají při různých interakcích.

Parita Interakce
gravitační elektromagnetická slabá silná
P + + - +
C + + - +
T + + - +
CP + + - +
CPT + + + +

Související články

Reference

  1. ↑ Jak se vyznat ve všemožných částicích? – Vladimír Wagner, Ústav jaderné fyziky AV ČR, Řež
  2. ↑ Kdo polapí Higgse? aneb hon na poslední chybějící částici standardního modelu – Vladimír Wagner, Ústav jaderné fyziky AV ČR, Řež
  3. ↑ Síly – server fyzweb.cz, Katedra didaktiky fyziky MFF UK v Praze
  4. ↑ Interakce: Elementární částice – prof. RNDr. Petr Kulhánek, CSc, Aldebaran Group for Astrophysics


Citováno z „http://ww.multimediaexpo.cz/mmecz/index.php/Z%C3%A1kladn%C3%AD_interakce“