Հիմնարար փոխազդեցություններ

Հիմնարար փոխազդեցություններ, տարրական մասնիկների և նրանցից կազմված մարմինների՝ որակապես տարբեր փոխազդեցությունների տիպեր։

Ներկայումս հայտնի հիմնարար փոխազդեցությունները չորսն են (չհաշված Հիգսի դաշտը)՝

• գրավիտացան,
• էլեկտրամագնիսականությունը,
• ուժեղ փոխազդեցությունը,
• թույլ փոխազդեցությունը։

Էլեկտրամագնիսական և թույլ փոխազդեցությունները միևնույն էլեկտրաթույլ փոխազդեցության դրսևորումներ են։

Ֆիզիկան որոնում է այլ տիպի հիմնարար փոխազդեցություններ ինչպես միկրոաշխարհում, այնպես էլ տիեզերական մասշտաբներում, սակայն դեռ չի հայտնաբերել նոր՝ ուրիշ տիպի հիմնարար փոխազդեցություն (հինգերորդ ուժ)։

Հիմնարար փոխազդեցությունների աղյուսակ

Փոխազդեցություն	Ընթացիկ տեսություն	Լիցք	Կրող մասնիկը	Հարաբերական ուժ	Կախումը հեռավորությունից	Ազդեցության շառավիղ (մ)
Գրավիտացիա	Հարաբերականության ընդհանուր տեսություն	Զանգված	Գրավիտոն (հիպեթետիկ)	1	${\frac {1}{r^{2}}}$	∞
Թույլ	Էլեկտրաթույլ փոխազդեցության տեսություն	Թույլ իզոսպին	W+ W- Z0 բոզոններ	1025	${\frac {1}{r}}\ e^{-m_{W,Z}\ r}$	10−18
Էլեկտրամագնիսական	Քվանտային էլեկտրադինամիկա	Էլեկտրական լիցք	Ֆոտոն	1036	${\frac {1}{r^{2}}}$	∞
Ուժեղ	Քվանտային քրոմոդինամիկա	Գունային լիցք	Գլյուոն	1038	${1}$	10−15

Պատմություն

Իսահակ Նյուտոնը իր երկրորդ օրենքով (1687 թ.) ցույց է տալիս, որ մարմինների շարժման պատճառի փոփոխությունը ուժն է։ Ֆիզիկոնսներին հայտնի էին տարբեր ուժեր՝ ծանրության ուժը, թելի լարվածության ուժը, զսպանակի սեղմվելու ուժը, մարմինների բախման ուժը, շփման ուժը, օդի դիմադրության ուժը, և այլն։

XVIII−XIX դդ․ հետազոտություններով բացահայտվեց նյութի ատոմային կառուցվածքը։ Պարզ դարձավ, որ այդ բոլոր ուժերի բազմազանությունը ատոմների փոխազդեցության արդյունքն է։ Քանի որ միջատոմային փոխազդեցությունը՝ հիմնականում էլեկտրամագնիսական է, ուրեմն այդ ուժերի մեծ մասը էլեկտրամագնիսական փոխազդեցության տարբեր դրսևորումներ են։ Բացառություններից մեկը ծանրության ուժն էր, որը պատճառը գրավիտացիոն փոխազդեությունն է զանգված ունեցող մարմինների միջև։

Այսպիսով, XX դարի սկզբին պարզ դարձավ, որ այդ ժամանակ հայտնի բոլոր ուժերը բերվում են երկու հիմնարար ուժերին՝ էլեկտրամագնիսականությանը և գրավիտացիային։

1930-ական թթ․ ֆիզիկոսները նկատեցին, որ ատոմի միջուկը կազմված է նուկլոններից՝ պրոտոններից և նեյտրոններից։ Պարզ դարձավ, որ ոչ էլեկտրամագնիսական, ոչ գրավիտացիոն փոխազդեցությունները չեն կարող նուկլոնները պահել միջուկներում։ Կանխադրվեց նոր հիմնարար փոխազդեցության՝ ուժեղ փոխազդեցության գոյությունը։ Սակայն հետագայում պարզվեց, որ միկրոաշխարհի որոշ առանձնահատկություններ բացատրելու համար դա նույնպես քիչ է։ Մասնավորապես, անհասկանալի էր, թե ինչն էր ազատ նեյտրոնին հարկադրում տրոհվել։ Այդ ժամանակ կանխադրվեց թույլ փոխազդեցության գոյությունը։ Պարզվեց, որ դա բավարար է միկրոաշխարհում մինչ այժմ դիտված բոլոր երևույթների բացատրության համար։ Հիգսի բոզոնի հայտնաբերումից հետո Հիգսի դաշտը սկսեցին անվանել հինգերորդ հիմնարար փոխազդեցություն։

Հիմնարար փոխազդեցությունների միասնական տեսության ստեղծում

Տրամաչափային բոզոնները ստանդարտ մոդելի շրջանակներում։

Փոխազդեցությունները միավորելու առաջին հաջող փորձը էլեկտրականությունը և մագնիսականությունը մեկ տեսությունով ներկայացնելն էր։ 1863 թ․ Ջեյմս Մաքսվելը ստեղծեց էլեկտրամագնիսականությունը։ Այնուհետև 1915 թ. Ալբերտ Այնշտայնը ձևակերպես Հարաբերականության ընդհանուր տեսությունը, որը նկարագրում է գրավիտացիոն դաշտը։ Ծնվեց հիմնարար փոխազդեցությունների (որոնք այդ ժամանակ երկուսն էին) միասնական տեսություն կառուցելու գաղափար։ Այդպիսի միասնական տեսությունը կմիավորեր գրավիտացիոն և էլեկտրամագնիսականությունը՝ որպես մի որևէ փոխազդեցության մասնակի դրսևորումներ։

XX դարի առաջին կեսին ֆիզիկոսները այդպիսի տեսություն ստեղծելու բազմաթիվ փորձեր արեցին, սակայն ոչ մի բավարար մոդել չեղավ։ Դրա պատճառը մասնավորապես այն է, որ հարաբերականության ընդհանուր տեսությունը և էլեկտրամագնիսականությանը էապես տարբերվում են։ Ձգողությունը նկարագրվում է տարածություն-ժամանակի կորացումով, և այս իմաստով գրավիտացիոն դաշտը պայմանականորեն ոչ նյութական է, (էմպիրիկորեն ոչ դիսկրետ է), բայց, ինչպես փոխազդեցության մյուս ձևերը, տարածվում է լույսի սահմանային թույլատրելի արագությամբ (տես գրավիտացիայի արագություն), մինչդեռ էլեկտրամագնիսական դաշտը ի հայտ է բերում մատերիայի բոլոր անհրաժեշտ հատկությունները։

XX դարի երկրորդ կեսին միասնական տեսության կառուցումը բարդացավ նրանում ուժեղ և թույլ փոխազդեցությունները, ինչպես նաև քվանտացումը ներառելու պատճառով։

1967 թվականին Աբդուս Սալամը և Սթիվեն Վայնբերգը ստեղծեցին էլեկտրաթույլ փոխազդեցության տեսությունը՝ միավորելով էլեկտրամագնիսականությունը և թույլ փոխազդեցությունը։ Ավելի ուշ 1973 թվականին առաջարկվեց ուժեղ փոխազդեցության տեսությունը (քվանտային քրոմոդինամիկան)։ Դրանց հիման վրա ստեղծվեց տարրական մասնիկների ստանդարտ մոդելը, որը նկարագրում է էլեկտրամագնիսական, թույլ և ուժեղ փոխազդեցությունները։

Ստանդարտ մոդելի փորձարարական ստուգումը նրա կանխատեսած մասնիկների և դրանց հատկությունների բացահայտումն է։ Ներկայումս Ստանդարտ մոդելի բոլոր մասնիկները հայտնաբերված են։ Այսպիսով, այժմ հիմնարար փոխազդեցությունները նկարագրվում են երկու լայնորեն ընդունված տերմիններով՝ հարաբերականության ընդհանուր տեսությամբ և ստանդարտ մոդելով։ Նրանց միավորումը դեռևս չի հաջողվում քվանտային գրավիտացիայի տեսության ստեղծման դժվարությունների պատճառով։ Հիմնարար փոխազդեցությունների հետագա միավորման համար տարբեր մոտեցումներ են կիրառվում՝ լարերի տեսությունը, հանգուցային քվանտային գրավիտացիան, М-տեսությունը։