Текст книги "Большая Советская Энциклопедия (ЭЛ)"

Электромагнитные взаимодействия

Электромагни'тные взаимоде'йствия, тип фундаментальных взаимодействий (наряду с гравитационным, слабым и сильным), который характеризуется участием электромагнитного поля в процессах взаимодействия. Электромагнитное поле (в квантовой физике – фотоны ) либо излучается или поглощается при взаимодействии, либо переносит взаимодействие между телами. Так, притяжение между двумя неподвижными телами, обладающими разноимёнными электрическими зарядами, осуществляется посредством электрического поля, создаваемого этими зарядами; сила притяжения пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними (закон Кулона). Такая зависимость от расстояния определяет дальнодействующий характер Э. в., его неограниченный (как и у гравитационного взаимодействия) радиус действия. Поэтому даже в атомах (на расстояниях ~ 10^-8см ) электромагнитные силы на много порядков превышают ядерные, радиус действия которых ~ 10^-12см. Э. в. ответственно за существование основных «кирпичиков» вещества: атомов и молекул и определяет взаимодействие ядер и электронов в этих микросистемах. Поэтому к Э. в. сводится большинство сил, наблюдающихся в макроскопических явлениях: сила трения, сила упругости и др. Свойства различных агрегатных состояний вещества (кристаллов, аморфных тел, жидкостей, газов, плазмы), химические превращения, процессы излучения, распространения и поглощения электромагнитных волн определяются Э. в. В детекторах частиц высокой энергии используется явление ионизации атомов вещества электрическим полем пролетающих частиц. Процессы расщепления ядер фотонами, реакции фоторождения мезонов, радиационные (с испусканием фотонов) распады элементарных частиц и возбуждённых состояний ядер, упругое и неупругое рассеяние электронов, позитронов и мюонов и т. п. обусловлены Э. в. Проявления Э. в. широко используются в электротехнике, радиотехнике, электронике, оптике, квантовой электронике.

  Т. о., Э. в. ответственно за подавляющее большинство явлений окружающего нас мира. Явления, в которых участвуют слабые, медленно меняющиеся электромагнитные поля (, где w – характерная круговая частота изменения поля,  — постоянная Планка, e – энергия поля), управляются законами классической электродинамики, которая описывается Максвелла уравнениями . Для сильных или быстро меняющихся полей () существенны квантовые эффекты. Кванты поля электромагнитного излучения (фотоны, или g-кванты), характеризующие корпускулярные свойства электромагнитного поля, имеют энергию , импульс  (n – единичный вектор в направлении распространения электромагнитной волны, с – скорость света), спин J = 1 и отрицательную зарядовую чётность (чётность относительно операции зарядового сопряжения ). Взаимодействия между фотонами g, электронами (е^- ), позитронами (е⁺ ) и мюонами (m⁺ , m^- ) описываются уравнениями квантовой электродинамики, которая является наиболее последовательным образцом квантовой теории поля . При Э. в. адронов (сильно взаимодействующих частиц) и атомных ядер существенную роль играет сильное взаимодействие, теория которого пока полностью не разработана.

  Константой Э. в. в квантовых явлениях служит элементарный электрический заряде » 4,8×10^-10 ед. заряда СГСЭ; интенсивность электромагнитных процессов в микромире пропорциональна безразмерному параметру   » ¹ /₁₃₇ , называется постоянной тонкой структуры; более точное значение (на 1976): a^-1 = 137,035987(23).

  Характерные черты Э. в. Среди других типов взаимодействий Э. в. занимает промежуточное положение как по «силе» и характерным временам протекания процессов, так и по числу законов сохранения. Отношение безразмерных параметров, пропорциональных квадратам констант сильного, электромагнитного, слабого и гравитационного взаимодействий и характеризующих «силу» взаимодействия протона с протоном при энергии ~ 1 Гэв в системе их центра масс, составляет по порядку величин 1:10^-2 :10^-10 :10^-38 . Характерные времена электромагнитных распадов элементарных частиц и возбуждённых состояний ядер (10^-12 —10^-21 сек) значительно превосходят «ядерные» времена (10^-22 —10^-24сек ) и много меньше времён распадов, обусловленных слабым взаимодействием (10³ —10^-11сек ). Помимо строгих законов сохранения, справедливых для всех типов взаимодействий (энергии, импульса, момента количества движения, электрического заряда и др.), при Э. в., в отличие от слабых взаимодействий, сохраняется пространств. чётность , зарядовая чётность и странность . С хорошей степенью точности установлено, что Э. в. инвариантно по отношению к обращению времени . Э. в. адронов нарушает присущие сильному взаимодействию законы сохранения изотопического спина и G-чётности, при этом изотопический спин адронов может измениться при испускании или поглощении фотона не более чем на 1 (см., например, Пи-мезоны ). Унитарная симметрия адронов (SU (3)-симметрия; см. Элементарные частицы ) приводит к определённым соотношениям между электромагнитными характеристиками (например, магнитными моментами) частиц, принадлежащих к одному и тому же унитарному мультиплету.

  Законы сохранения и свойства фотонов в значит, степени определяют специфические черты Э. в. Так, равенство нулю массы покоя фотона обусловливает дальнодействующий характер Э. в. между заряженными частицами, а его отрицательная зарядовая чётность – возможность радиационного распада абсолютно нейтральных частиц или связанных систем частиц [т. е. частиц (систем), тождественных своим античастицам ], обладающих положит. зарядовой чётностью, – p ^{-мезона, парапозитрония (см. Позитроний ) лишь на чётное число фотонов. Возможность описания (в соответствующем пределе) Э. в. в рамках классической (а не только квантовой) физики и его макроскопические проявления обусловлены дальнодействующим характером Э. в. и тем, что фотоны подчиняются Бозе – Эйнштейна статистике . Малая величина се определяет малость сечений электромагнитных процессов с участием адронов по сравнению с сечениями аналогичных процессов, протекающих за счёт сильных взаимодействий; например, сечение рассеяния фотона с энергией 320 Мэв на протоне составляет около 2×10-30см2, что примерно в 105 раз меньше сечения рассеяния p+ -мезона на протоне при соответствующей полной энергии сталкивающихся частиц в системе их центра масс.}

  Тот факт, что электрический заряд определяет «силу» взаимодействия и в то же время является сохраняющейся величиной – уникальное свойство Э. в.; вследствие этого Э. в. зависят только от электрического заряда частиц и не зависят от типа частиц или электромагнитных процессов. При описании электромагнитного поля 4-мерным вектором-потенциалом А m(m=®0,1,2,3) [А (j, А ), А — векторный, j – скалярный потенциалы] плотность лагранжиана L Э. в. поля с зарядом записывается в виде скалярного произведения:

,

где: j_m – 4-мерный вектор плотности электрического тока: j = (c r, j ), j — плотность тока, r – плотность заряда. При градиентном преобразовании вектор-потенциала, которое называется также калибровочным преобразованием (2-го рода):

А ® А + grad f (х, t ),

,

где j_m (x, t ) — произвольная функция координат х и времени t, наблюдаемые физические величины (напряжённости полей, вероятности электромагнитных процессов и т. п.) остаются неизменными. Это свойство, специфическое для Э. в., получило название принципа калибровочной инвариантности – одного из принципов симметрии в природе (см. Симметрии в физике), выражающего в наиболее общей форме факт существования электромагнитного поля (фотона) и Э. в. Обобщение калибровочной инвариантности на слабые взаимодействия позволило сформулировать единую теорию слабых и электромагнитных взаимодействий лептонов (см. Слабые взаимодействия ).

  Эффекты квантовой электродинамики . К ним относятся рассеяние фотонов на электронах (Комптона эффект ), тормозное излучение , фоторождение пар е⁺ е^- или m⁺ m^- на кулоновском поле ядер, сдвиг уровней энергии атомов из-за поляризации электрон-позитронного вакуума (см. Вакуум физический) и другие эффекты, в которых можно пренебречь структурой заряда (его отличием от точечности) при взаимодействии с ним электромагнитного поля. Развитая для описания атомных явлений квантовая электродинамика оказалась справедливой для значительно меньших, чем атомные, расстояний. Изучение рассеяния электронов друг на друге и аннигиляции е⁺ +е^– ® m⁺ +m^- при больших энергиях сталкивающихся частиц (до ~ 6 Гэв в системе центра масс), фоторождения пар е⁺ +е^- , m⁺ +m^- с большими относительными импульсами, а также прецизионные измерения уровней энергии электронов в атомах и аномальных магнитных моментов электрона и мюона установили справедливость квантовой электродинамики вплоть до очень малых расстояний: ~ 10^-15см. Её предсказания с высокой степенью точности согласуются с экспериментальными данными. Так, не найдено расхождения между теоретическим и экспериментальным значениями магнитного момента мюона на уровне 10^-7 %.

  Характерной чертой электродинамических процессов при высоких энергиях Е (Е >> mc2, где m — масса электрона или мюона) является острая направленность вперёд угловых распределений частиц (g, е^± , m^± ) — продуктов процессов: бо'льшая их часть вылетает в пределах угла J £ mc²/E относительно направления налетающих частиц.

  Основной вычислительный метод квантовой электродинамики – теория возмущений: благодаря слабости Э. в. матрицу рассеяния процессов с участием электромагнитного поля можно разложить в ряд по степеням малого параметра a и при вычислениях ограничиться рассмотрением небольшого числа первых членов этого ряда (обычно не более четырёх).

  В диаграммной технике теории возмущений (см. Фейнмана диаграммы ) простейший процесс квантовой электродинамики – взаимодействие фотона с бесструктурной (точечной) заряженной частицей входит как составной элемент в любой электродинамический процесс. Из-за малости a процессы с участием большого числа таких взаимодействий менее вероятны. Однако они доступны наблюдению и проявляются в т. н. радиационных поправках , в эффектах поляризации электрон-позитронного вакуума, в многофотонных процессах . В частности, поляризация вакуума приводит к рассеянию света на свете (рис. 1 , а) — эффекту, который отсутствует в классической электродинамике; этот эффект наблюдается при рассеянии фотонов на кулоновском поле тяжёлого ядра (рис. 1 , б).

  В характере Э. в. для электронов (позитронов) и для мюонов не обнаружено отличия несмотря на значит, разницу в их массах; это легло в основу т. н. m-е-универсальности, пока не получившей теоретического объяснения.

  Э. в. адронов и атомных ядер. В электромагнитных процессах с участием адронов (фоторождении мезонов, рассеянии электронов и мюонов на протонах и ядрах, аннигиляции пары е⁺ е^- в адроны и др.) один из объектов взаимодействия – электромагнитное поле – хорошо изучен. Это делает Э. в. исключительно эффективным инструментом исследования строения адронов и природы сильных взаимодействий.

  Сильные взаимодействия, как уже упоминалось, играют важную роль в электромагнитных процессах с участием адронов. Так, резонансные состояния адронов (резонансы ) могут возбуждаться фотонами и ярко проявляются, например, в полных сечениях поглощения фотонов протонами с образованием адронов (рис. 2 ). Электромагнитные свойства и электромагнитная структура адронов (магнитные моменты, поляризуемости, распределения зарядов и токов) обусловлены «облаком» виртуальных частиц (преимущественно p-мезонов), испускаемых адронами. Например, среднеквадратичный радиус распределения заряда в протоне определяется размерами этого «облака» и составляет ~0,8×10^-13см (см. Формфактор ). Вместе со слабыми взаимодействиями Э. в. ответственны за различие масс заряженных и нейтральных частиц в изотопических мультиплетах (например, n и р, p ^{и p± ). Короткодействующий характер сильных взаимодействий определяет при энергиях   (R – размер адронной системы) участие в реакциях лишь низших мультипольных моментов фотона и, как следствие этого, плавную зависимость дифференциальных сечений от углов. При высоких энергиях (Е>2 Гэв ) угловые и энергетические зависимости характеристик (сечений, поляризаций и др.) процессов Э. в. адронов и чисто адронных процессов схожи [на рис. 2 s (g p) при Е>2 Гэв слабо зависит от энергии, что характерно для полных сечений взаимодействия адронов].}

  Это сходство легло в основу модели векторной доминантности, согласно которой фотон взаимодействует с адронами, предварительно перейдя в адронное состояние – векторные мезоны r ^{, w, j и др. Возможность такого перехода ярко иллюстрируется резонансной зависимостью от энергии сечения процесса е+ + е– ® К+ + К- , обусловленной превращением виртуального фотона промежуточного состояния в векторный j-мезон и его последующим распадом на пару К-мезонов (рис. 3 , б). Виртуальный фотон характеризуется отличным от 0 значением квадрата 4-мерного импульса q2 = E2/c2 – p2 ¹ 0, где Е, р — энергия и трёхмерный импульс фотона (для реального фотона q2 = 0). Например, для виртуального фотона, которым обмениваются электрон и протон при рассеянии, q2 = —(4EE '/c2 ) sin2 (J/2), где Е, E' — энергии электрона до и после рассеяния (для случая Е, E' >> mc2 ), J – угол рассеяния в лабораторной системе отсчёта. Эксперимент показал удовлетворит. применимость модели векторной доминантности для описания электромагнитных явлений с участием реальных фотонов и виртуальных фотонов с |q2 |< 2 (Гэв/с )2. В частности, в сечении аннигиляции е+ + е- ® m+ + m- при энергии в системе центра масс 1019,5 Мэв наблюдаются отклонения от предсказаний квантовой электродинамики, которые вытекают из данной модели (обусловлены образованием К-мезона в промежуточном состоянии; см. рис. 3, а). (Согласно квантовой электродинамике, этот процесс происходит посредством превращения пары е+ е- в виртуальный фотон g, а g – в пару m+ m- .}