Итак, известно 4 вида взаимодействий, для передачи каждого из них существует свое поле. Взаимодействие может проявляться как 1) притяжение/отталкивание частиц или 2) как превращение частиц.
Теперь про конкретные поля:
1) гравитационное поле - проявляется только как притяжение частиц, отталкивания, емнип, быть не может в принципе
2) электромагнитное поле - проявляется как притяжение или отталкивание заряженных частиц
3) и 4) слабое и сильное взаимодействие. Про них я мало что понимаю, кроме того, что там все сильно сложнее. Сильное взаимодействие проявляется как притяжение частиц и как превращение частиц. Слабое точно проявляется как превращение (распад свободного нейтрона, например).
Насколько допустимо представлять себе это в таком виде?
Вот я писал-писал... а меня не читали, видимо.
Дело в том, что такое взаимодействие, которое встречалось в классической физике, обычно проявлялось только как силы между частицами. Но в квантовом мире оказалось, что это только частный случай, а обычно происходят также много других явлений:
- частицы могут возникать и исчезать (в том числе, рождаться, распадаться, аннигилировать);
- частицы могут превращаться в другие частицы (в том числе, с испусканием или поглощением ещё каких-то третьих частиц);
- частицы могут взаимодействовать без сил: интерферировать как волны, или избегать одинаковых состояний, или наоборот, накапливаться в них.
То есть, я правильно понимаю, что все перечисленные явления относятся к какому-то из четырёх типов взаимодействий или к некой их комбинации?
Не совсем. Первые два пункта - да. Третий - к так называемому "обменному взаимодействию", которое вообще взаимодействием не является (в современном понимании термина взаимодействие), и связано с глубинными свойствами самих частиц - являются ли они бозонами или фермионами. Фермионы "отталкиваются" по запрету Паули (пример - электронные оболочки в атомах), а бозоны - наоборот, стремятся собраться вместе (примеры - сверхтекучесть, сверхпроводимость, лазерное излучение).
И какой это тип взаимодействия, когда электрон аннигилирует с позитроном с образованием двух фотонов? или, скажем, нейтрон с антинейтроном. Вроде бы, в этом процессе не нужны никакие переносчики взаимодействия, так что о каком взаимодействии речь?
Это - электромагнитное. Возникают фотоны. Если бы возникали нейтрино (такое бывает, но с о-о-очень малой вероятностью), то было бы слабое.
Слово "взаимодействие" используется в двух немного разных смыслах:
- Взаимодействие между частицами - это старинный смысл. В этом смысле, два электрических заряда взаимодействуют (посредством электромагнитного поля, или как-то по закону дальнодействия).
- Взаимодействие частиц с полем - это более современный смысл. В этом смысле, каждый электрический заряд отдельно взаимодействует с электромагнитным полем. Взаимодействие двух зарядов оказывается более сложным явлением, состоящим из двух таких элементарных взаимодействий.
В квантовой теории речь в основном идёт про второй смысл. Оказывается, что частицы и поле выступают в таком акте взаимодействия более на равных, чем казалось в классической теории. И поле передаётся частицами (здесь - фотонами), и частицы вещества становятся подобны полю.
Например, электрон - это квант электронного поля. Он электрически заряжен, и поэтому является источником фотонов - квантов электромагнитного поля.
У полей немного разные свойства. Например, очень важное отличие между полями - это поля фермионов и бозонов. Электрон - фермион, а фотон - бозон. Последствия у этого, например, такие:
- фермионы бывают в двух противоположных "ипостасях": частицы и античастицы - а бозоны (с оговорками) - только частицы;
- фермионы имеют закон сохранения суммарного числа частиц (причём античастицы учитываются со знаком минус), а бозоны могут легко рождаться и исчезать поодиночке. Отсюда следствие, что фермионы рождаются и исчезают парами со своими античастицами (рождение пар и аннигиляция).
- фермионы не могут находиться в одинаковом квантовом состоянии (запрет Паули), и из-за этого "отталкиваются" (хотя не так, как отталкиваются электрические заряды, а просто избегают быть в одном месте), а бозоны - наоборот, "любят" находиться в одинаковом квантовом состоянии, и поэтому часто "толпятся" вместе.
Но эти отличия не очень велики на фоне того, что и то и другое - квантовые поля. И если подумать, некоторые законы для них действуют более симметрично, чем принято думать на популярном уровне. Например, не только электрон является источником "мячиков"-фотонов, но и фотон является источником "мячиков"-электронов. Фотон может испустить электрон - но всегда в паре с позитроном, я выше пояснил, почему. Кроме того, два фотона могут "притягиваться" между собой, из-за обмена электронами и позитронами, просто этот эффект крайне-крайне мал (из-за ещё одного отличия между полями - масса электрона большая, а масса фотона нулевая), и едва-едва заметен в экспериментах.
Ещё одно отличие между полями - это какие поля какие могут нести заряды, и с какими другими полями взаимодействовать. Например, поле кварков, кроме электрического заряда (так что кварки испускают фотоны), несёт ещё и цветной заряд, так что кварки испускают глюоны. А вот поле электронов цветного заряда не несёт. Дальше ещё интересней: само поле глюонов несёт цветной заряд, так что глюоны сами испускают другие глюоны (самодействие поля), а вот ни у фотонов, ни у электронов с кварками такое не встречается (в первой половине 20 века была сформулирована теория слабого взаимодействия Ферми, по которой электроны обладали самодействием, но потом оказалось, что это приближение другой теории, с промежуточными частицами - слабыми бозонами, так что электрон испускает слабый бозон, а тот - опять электрон, и на самом деле самодействия нет).
Интересно, каким образом происходит выбор виртуальной частицы - почему это электрон, а не мюон, пион, нейтрино или ещё что-нибудь? Есть ли тут вообще какие-то правила?
Правила есть. Каждая частица участвует в своём наборе взаимодействий.
Все фермионы участвуют в слабом взаимодействии.
Все заряженные частицы (то есть, все, кроме нейтрино) участвуют в электромагнитном взаимодействии.
Кварки участвуют в сильном взаимодействии, а лептоны - нет.
Бозоны:
Фотон переносит электромагнитное взаимодействие, и не участвует ни в каких других.
Глюон переносит сильное взаимодействие, и сам же в нём участвует, поскольку имеет цветовой заряд.
Слабые бозоны:
- аналогично участвуют в слабом же взаимодействии. Кроме того,
-бозоны участвуют в электромагнитном, поскольку имеют электрический заряд.
Составные частицы - адроны - участвуют в производном сильном взаимодействии, состоящем в обмене кварками. При этом действует практически правило "любые частицы превращаются в любые", если это позволено их кварковым составом, запасом энергии, и ещё несколькими более специфическими параметрами. Но при этом, разные варианты могут протекать с очень разными вероятностями, например, взаимодействие между протоном и нейтроном почти полностью определяется обменом
-мезоном.
Кроме того, адроны участвуют в слабом и электромагнитном взаимодействиях, насколько это позволяет их кварковый состав.
Итого, картина мира с точки зрения классической теории поля состоит из двух основных сущностей: частицы и поля. Частицы - это, например, электроны, протоны. Поля - это, например, электромагнитное. Но с точки зрения квантовой теории поля, частицы - это возбуждения, кванты полей со статистикой Ферми-Дирака (и эти кванты называются фермионы). А поля типа электромагнитного - это поля со статистикой Бозе-Эйнштейна (и тоже имеют кванты, которые называются бозоны). Получается, что и то, и другое - поля, и поэтому очень похожи между собой по структуре и поведению. Сходств получается больше, чем различий. В научно-популярных книжках иногда говорят, что "фермионы - это частицы вещества, а бозоны - частицы взаимодействий", но на самом деле, это не так. Из-за их похожести, возникают разные варианты: бозоны входят в состав вещества (например, протонов, нейтронов, ядер и атомов), фермионы тоже могут осуществлять взаимодействия (например, межатомная химическая связь, осуществляемая обменом электронами). Я не хочу заваливать подробностями, а хочу подчеркнуть основную мысль: квантовая теория поля свела частицы и поля, вещество и взаимодействия, к единому знаменателю: к квантовым полям. Различие между фермионами и бозонами на этом уровне очень второстепенно, это всего лишь один знак в формуле: плюс или минус. Хотя, конечно, на макроуровне он ведёт к далекоидущим последствиям.
-- 11.03.2013 15:12:20 --P. S. Поля в природе, с точки зрения квантовой теории поля, и их соответствующие элементарные возбуждения:
Поля фундаментальных взаимодействий:
электромагнитное - фотон;
слабое - слабый бозон (3 вида; в старой и популярной литературе встречается также название "векторный бозон", не совсем точное);
цветное (цветовое) - глюон;
гравитационное - гравитон;
Поле Хиггса - бозон Хиггса;
Поля фермионов:
электронное - электрон, позитрон;
мюонное - мюон (и антимюон, дальше "анти-" не упоминаю);
тау-лептонное - тау-лептон;
нейтринное - нейтрино (3 разных поля и 3 сорта нейтрино);
кварковое - кварк (6 разных полей и 6 сортов кварков).
Вот схема частиц и взаимодействий Стандартной Модели:
![$$\xymatrix@R=0.25cm{{\text{кварки}}\ar@{<->}[dd]\ar@{<->}[rdd]\ar@{<->}[rrdd]&
{\begin{gathered}\text{заряженые}\\\text{лептоны}\end{gathered}}\ar@{<->}[dd]\ar@{<->}[rdd]&
{\text{нейтрино}}\ar@{<->}[dd]\\ \\
{\begin{gathered}\text{сильное}\\\text{(глюоны)}\end{gathered}}&
{\begin{gathered}\text{эл.-магнитное}\\\text{(фотоны)}\end{gathered}}\ar@{<->}[r]&
{\begin{gathered}\text{слабое}\\\text{(\(W^\pm\), \(Z^0\)-бозоны)}\end{gathered}}\\
{}\ar@(dl,dr)@{<->}[]&
&
{}\ar@(dl,dr)@{<->}[]\\}$$](https://dxdy-03.korotkov.co.uk/f/e/c/8/ec84e1f7960e3d5ab6248a5179153eab82.png "$$\xymatrix@R=0.25cm{{\text{кварки}}\ar@{<->}[dd]\ar@{<->}[rdd]\ar@{<->}[rrdd]&
{\begin{gathered}\text{заряженые}\\\text{лептоны}\end{gathered}}\ar@{<->}[dd]\ar@{<->}[rdd]&
{\text{нейтрино}}\ar@{<->}[dd]\\ \\
{\begin{gathered}\text{сильное}\\\text{(глюоны)}\end{gathered}}&
{\begin{gathered}\text{эл.-магнитное}\\\text{(фотоны)}\end{gathered}}\ar@{<->}[r]&
{\begin{gathered}\text{слабое}\\\text{(\(W^\pm\), \(Z^0\)-бозоны)}\end{gathered}}\\
{}\ar@(dl,dr)@{<->}[]&
&
{}\ar@(dl,dr)@{<->}[]\\}$$")
Гравитация не включена в СМ. Если хотите - то добавьте, что все частицы участвуют в гравитационном (гравитоны), включая его самого.
Там ещё хиггс не дорисован, да и слабые бозоны без подробностей (заряженные взаимодействуют с фотоном, нейтральный нет), чтобы не загружать простую схему подробностями.
При этом все известные частицы (кроме фотона, глюона и гравитона) взаимодействуют с этим полем, но ни одна из этих частиц не может быть источником этого поля.
Это ерунда. "Взаимодействует" - означает и "может быть источником", автоматически.
Если бы такая частица существовала, она бы давала разные необычные эффекты. При приближении к ней другие частицы становились бы тяжелее и тяжелее. А если бы существовала частица, понижающая напряженность, то в ее присутствии другие частицы наоборот теряли бы массу. Практически готовый рецепт "антигравитации"... Только проявлялось бы это, пожалуй, на экстремально коротких расстояниях.
Это всё в СМ и так есть. И никакой практической пользы от этого нет.
