Fundamental oʻzaro taʼsirlar

Fizikada asosiy oʻzaro taʼsirlar yoki fundamental kuchlar deb tabiatda mavjud boʻlib, yanada sodda taʼsirlarga boʻlinmaydigan kuchlarga aytiladi. Hozirda insoniyatga maʼlum boʻlgan toʻrtta fundamental kuch mavjud Extract of page 109:
 Gravitatsion kuch
 Elektromagnit kuch
 Kuchsiz oʻzaro taʼsir
 Kuchli oʻzaro taʼsir

Gravitatsion va elektromagnit oʻzaro taʼsirlar uzoq masofaga taʼsir etuvchi kuchlarni yuzaga keltiradi, ularning natijalarini kundalik hayotda bevosita kuzatish mumkin. Kuchli va kuchsiz oʻzaro taʼsirlar esa subatomik darajada kuchlar hosil qiladi va atomlar ichidagi yadroviy jarayonlarni boshqaradi.

Baʼzi olimlar beshinchi kuch mavjud boʻlishi mumkin degan fikrni ilgari surishadi, ammo bu gʻoyalar hozircha ilmiy faraz boʻlib qolmoqda.

Maʼlum boʻlgan barcha fundamental oʻzaro taʼsirlar matematik jihatdan maydon sifatida qaraladi. Gravitatsiya kuchi fazo-vaqt egriligiga bogʻliq boʻlib, Eynshteynning umumiy nisbiylik nazariyasida tavsiflanadi. Qolgan uchta kuch esa diskret kvant maydonlari hisoblanadi va ularning oʻzaro taʼsiri zarrachalar fizikasining Standart modeli tomonidan tavsiflanadigan elementar zarralar vositasida amalga oshadi.

Standart modelga koʻra, kuchli oʻzaro taʼsir glyuon deb ataluvchi zarracha orqali uzatiladi va kvarklarni bir-biriga bogʻlab, proton va neytron kabi adronlarning shakllanishini taʼminlaydi. Natijada, bu kuchning qoldiq taʼsiri sifatida yadro kuchi yuzaga keladi, bu esa proton va neytronlarni bogʻlab, atom yadrolarini hosil qiladi. Kuchsiz oʻzaro taʼsir esa W va Z bozonlar deb ataluvchi zarrachalar orqali amalga oshadi hamda zarrachalar atom yadrolariga taʼsir qilib, radioaktiv parchalanish jarayonlarini boshqaradi va turli yadro jarayonlarining muhim vositachisi hisoblanadi. Elektromagnit kuch foton orqali uzatiladi hamda elektr va magnit maydonlarini hosil qilib, orbital elektronlar bilan atom yadrosi orasidagi tortish kuchini shakllantiradi. Shu orqali atomlarning bir-biriga bogʻlanishini taʼminlaydi, kimyoviy bog‘lanishlarning yuzaga kelishiga sabab boʻladi va elektromagnit toʻlqinlarni, jumladan koʻrinuvchi yorugʻlikni hosil qiladi. Elektromagnit kuch zamonaviy elektr texnologiyalari asosini tashkil qiladi. Garchi elektromagnit kuch gravitatsiyadan bir necha barobar kuchli boʻlsa-da, katta jismlar ichida oʻzini oʻzi muvozanatlashtiradi. Shu sababli katta, yaʼni astronomik masofalarda gravitatsiya asosiy kuch sifatida ustunlik qiladi. Aynan gravitatsiya koinotning yirik tuzilmalari – sayyoralar, yulduzlar va galaktikalarni birgalikda ushlab turadi.

Koʻpgina nazariyotchi fiziklar ushbu asosiy kuchlar bir-biri bilan bogʻliq boʻlib, juda yuqori energiyalarda va kichik masshtablarda yaʼni plank masshtabida yagona kuchga birlashishini taxmin qilishadi. Biroq, bunday ulkan energiyalarni hosil qilish uchun zarracha tezlatgichlarining imkoniyatlari yetarli emas, shu sababli bu nazariyani eksperimental tekshirish hali imkonsiz boʻlib qolmoqda. Asosiy kuchlar oʻrtasidagi bogʻliqlikni yagona nazariya orqali tushuntirish esa zamonaviy nazariyotchi fiziklar oldidagi eng ulkan maqsadlardandir. Shu kunga kelib, kuchsiz va elektromagnit taʼsirlar allaqachon Sheldon Glashow, Abdus Salam va Steven Weinberg tomonidan ishlab chiqilgan elektrokuchsizlik nazariyasi orqali birlashtirilgan va olimlar bu ishlari uchun 1979-yilda fizika boʻyicha Nobel mukofotiga sazovor boʻlishgan. Endi baʼzi olimlar ushbu elektrokuchsiz kuchlarni kuchli oʻzaro taʼsir bilan birlashtirishni maqsad qilgan boʻlib, bu yondashuvni katta birlashma nazariyasi (GUT) deb nomlashgan. Ammo bundan ham qiyin vazifa – gravitatsiya maydonini kvantlashtirish. Bu vazifa kvant gravitatsiya nazariyasini (QG) yaratish orqali gravitatsiyani boshqa uchta asosiy kuch bilan birlashtirishni oʻz ichiga oladi. Ayrim nazariyalar, xususan, string nazariyasi, bitta nazariy doirada QG va GUTni birlashtirishni maqsad qilgan boʻlib, barcha toʻrtta asosiy oʻzaro taʼsir va massaning hosil boʻlishini tushuntiruvchi hamma narsa nazariyasini yaratishga intilmoqda.

 Tarixi 
 Klassik nazariya 
1687-yilda Isaak Nyuton oʻzining nazariyasida fazoni barcha jismlardan oldin mavjud boʻlgan, ularning ichida va atrofida joylashgan, cheksiz va oʻzgarmas fizik tuzilma sifatida tasvirlagan. Nazariyaga koʻra, barcha hodisalar va munosabatlar har joyda bir xil tezlikda rivojlanadi. Bu gʻoya mutlaq fazo va vaqt tushunchasini shakllantirdi. Nyuton shuningdek, barcha massaga ega jismlar bir xil tezlikda bir-biriga yaqinlashishini, ammo ularning toʻqnashuvi massalariga mutanosib taʼsir kuchi bilan yuz berishini kuzatib, moddaning oʻzaro tortish kuchiga ega ekanligini xulosa qildi. Nyutonning butun olam tortishish qonuni barcha jismlar oʻrtasida bir zumda oʻzaro taʼsir mavjudligini anglatardi. Ammo anʼanaga koʻra talqin qilinganida, Nyutonning harakat nazariyasi oʻzaro taʼsirni uzatish uchun hech qanday vositachisiz markaziy kuchni modellashtirdiNewtonʼs absolute space was a medium, but not one transmitting gravitation.. Shu sababli, uning nazariyasi Dekartdan boshlangan va masofadan taʼsir boʻlishi mumkin emas degan tamoyilga zid kelgan edi. Bunga qarshi ravishda, 1820-yillarda Maykl Faradey magnitizmni izohlar ekan, kuchni uzatuvchi va fazoni toʻldiruvchi maydon mavjudligini taxmin qildi va yakunda barcha kuchlar yagona kuchga birlashishi mumkinligini ham ilgari surdi. 1831-yilda M.Faradey tomonidan kashf etilgan elektromagnit induksiya hodisasini chuqur oʻrgangan Maksvell quyidagi xulosaga keladi: magnit maydonining har qanday oʻzgarishi uning atrofidagi fazoda uyurmaviy elektr maydonni hosil qiladi

1873-yilda James Clerk Maxwell elektr va magnitizmni vakuumda doimiy tezlikda harakat qiladigan hamda uchinchi xususiyati yorugʻlik hisoblangan yagona bir elektromagnit maydon taʼsiri sifatida birlashtirdi. Agar Maksvellning elektromagnit maydon nazariyasi barcha inersial sanoq tizimlarida haqiqiy boʻlsa, bu Nyutonning harakat nazariyasiga zid kelar edi, chunki Nyutonning nazariyasi Galiley nisbiyligiga asoslangan edi. Ammo, agar Maksvell nazariyasi faqat mexanik lyuminifer efirga nisbatan tinch holatda boʻlgan sanoq tizimlariga taalluqli deb hisoblanganida—bu efir fazoni toʻldiradi, vakuumda ham, modda ichida ham elektromagnit maydonni namoyon qiladi deb taxmin qilingan edi—unda bu nazariya Galiley nisbiyligi va Nyuton qonunlari bilan muvofiqlashtirilishi mumkin edi. Biroq, keyinchalik bunday „Maksvell efiri“ tushunchasi rad etildi va Nyuton qonunlarini oʻzgartirish zaruriyati paydo boʻldi.

 Standart model 
thumb|350px|Elementar zarralarning Standart Modeli: birinchi uchta ustunda fermionlar, toʻrtinchi ustunda oʻlchov bozonlari (geyj bozonlari) va beshinchi ustunda Higgs bozoni joylashgan.
Zarralar fizikasi Standart modeli 20-asrning ikkinchi yarmida shakllantirilgan boʻlib, elektromagnit, kuchli va kuchsiz oʻzaro taʼsirlarni elementar zarrachalar bilan bogʻlaydi. Bu zarrachalarning xatti-harakatlari kvant mexanikasi (QM) orqali modellashtiriladi. Kvant mexanikasi mikrozarralarning (elektronlar va atomlar) xususiyatlarini va harakatlarini oʻrganadi. Maks Plank, Lui de Broyl va Ervin Shredinger tomonlaridan asos solingan kvant fizikasi zamonaviy fizikaning asosiy qismi hisoblanadi. Kvant mexanikasi ehtimoliy natijalarga asoslanganligi sababli, fiziklar QM hodisalarini maxsus nisbiylik bilan moslashtirilgan maydonlar orqali tavsiflaydilar va nisbiylik kvant maydon nazariyasi (QFT) deb atashadiMeinard Kuhlmann, „Physicists debate whether the world is made of particles or fields—or something else entirely“, Scientific American, 24 Jul 2013.. Ushbu modelda kuchlarni tashuvchi zarrachalar – kalibrlash bozonlari (gauge bozons) – maydonlarning „xabarchilari“ sifatida ishlaydi va moddiy zarrachalar – fermionlar – bilan oʻzaro taʼsirlashadi. Bu nazariya zamonaviy fizikadagi asosiy nazariy ramka hisoblanadi.

Hozirgi zamon standart modeli tasavvurlariga koʻra fizik vakuum materiyaning mavjudlik shakllaridan biri boʻlib maydonning eng quyi energiyali holati hisoblanadi. Zamonaviy mavjud infilyatsiya nazariyasiga koʻra vakuum energiyasi fluktatsiyasi katta qiymatga erishganda fizik vakuumda kuchli qoʻzgʻalish yuz beradi va u „pufak“simon ravishda juda keskin (~10-33 s davomida) kengayadi va „yoriladi“, yaʼni katta portlash sodir boʻladi. Bu hodisa bundan taxminan 13 mlrd yil oldin sodir boʻlganligi aniqlangan. Katta portlashdan soʻng Olam juda qaynoq boʻlganligi va doimiy kengayib borayotganligi amerikalik fizik Xabbl tomonidan „qizil siljish“ qonuni ochilgandan keyin isbotlandi. 1965-yilda relektiv (qoldiq) nurlanishning kashf qilinishi ham bu gʻoyani toʻgʻriligini tasdiqlaydi.

Kundalik hayotdagi barcha modda atomlardan iborat boʻlib, ular uch turdagi fermionlardan tashkil topadi: atom yadrosini tashkil qiluvchi yuqori va quyi kvarklar hamda uning atrofida harakatlanayotgan elektronlar. Atomlar oʻzaro taʼsirlashib, molekulalarni hosil qiladi va qoʻshimcha xususiyatlarini namoyon etadi. Bu jarayon asosan elektronlarning fotonlarni – elektromagnit maydonning kuch tashuvchi zarrachalarini – yutishi va chiqarishi orqali amalga oshadi. Agar fotonlarga hech qanday toʻsiq boʻlmasa, ular cheksiz masofaga tarqalishi mumkin. Elektromagnetizmning ushbu jarayonlarini izohlaydigan kvant maydon nazariyasi esa kvant elektrodinamika (QED) deb ataladi.

Kuchsiz oʻzaro taʼsirning kuch tashuvchi zarrachalari – massiv W va Z bozonlar. Elektrokuchsiz nazariya (EWT) elektromagnitizm va kuchsiz oʻzaro taʼsirni yagona nazariya doirasida birlashtiradi. Katta portlashdan keyingi dastlabki yuqori harorat sharoitida kuchsiz oʻzaro taʼsir, elektromagnit oʻzaro taʼsir va Higgs bozoni simmetriya buzilishidan oldin mavjud boʻlgan qadimiy maydonlarning aralash tarkibiy qismlari sifatida namoyon boʻlgan. Koinot asta-sekin sovushi bilan ushbu maydonlar ajralib, uzoq masofali elektromagnit oʻzaro taʼsir, qisqa masofali kuchsiz oʻzaro taʼsir va Higgs bozoni shaklida mustaqil ravishda paydo boʻlgan. Higgs mexanizmi orqali Higgs maydoni Higgs bozonlarini hosil qiladi va ular baʼzi kvant zarrachalar bilan oʻzaro taʼsirlashib, ularga massa beradi. , kuchli oʻzaro taʼsir, uning kuch tashuvchi zarrachasi glyuon, kvarklar orasidagi juda kichik masofalarda faoliyat koʻrsatadi va bu jarayon kvant xromodinamikasi (QCD) orqali izohlanadi. Elektrokuchsiz nazariya (EWT), kvant xromodinamika (QCD) va Higgs mexanizmi birgalikda zarralar fizikasi Standart modelini (SM) tashkil qiladi. Garchi bashoratlar koʻpincha hisob-kitoblarni soddalashtiruvchi yaqinlashtiruvchi usullar yordamida amalga oshirilsa-da, bu usullar ayrim eksperimental kuzatuvlarni (masalan, bogʻlangan holatlar yoki solitonlarni) toʻliq izohlashga yetarli boʻlmasligi mumkin. Shunga qaramay, Standart model bugungi kunda fizika tarixidagi eng koʻp eksperimental tasdiqlangan nazariya sifatida keng eʼtirof etilgan.

Standart modeldan tashqarida, baʼzi nazariyotchilar elektrokuchsiz va kuchli oʻzaro taʼsirlarni yagona tizim – Katta birlashma nazariyasi (GUT) doirasida birlashtirish ustida ishlamoqda. Ushbu nazariyaga oid ayrim yondashuvlar „soya“ zarrachalar mavjudligini taxmin qiladi. Yaʼni, har bir maʼlum moddiy zarrachaga nomaʼlum kuch zarrachasi mos keladi va aksincha, bu birgalikda supersimmetriya (SUSY) deb ataladi. Boshqa nazariyotchilar esa gravitatsiya maydonini kvantlashtirishga intilib, uning kuch tashuvchi zarrachasi – gravitonning xatti-harakatini modellashtirish orqali kvant gravitatsiyasi (QG)ga erishishni maqsad qilmoqda. QGga yondashuvlardan biri – halqali kvant gravitatsiya (LQG) nazariyasi. Yana baʼzi tadqiqotchilar QG va GUTni bir tizimda birlashtirishga, shu orqali barcha toʻrtta asosiy oʻzaro taʼsirni yagona doiraga – Hamma narsa nazariyasi (ToE)ga keltirishga harakat qilmoqda. ToEga oid eng mashhur yondashuvlardan biri string nazariyasi boʻlib, u moddiy zarrachalarni modellashtirish uchun SUSYni kuch zarrachalariga qoʻshgan va shu bilan superstring nazariyasiga aylangan. Turli koʻrinishda boʻlgan superstring nazariyalari esa keyinchalik yagona asos – M-nazariyasi doirasida birlashtirilgan. Biroq, Standart modeldan tashqaridagi ushbu nazariyalar hali ham asosan nazariy darajada boʻlib, ularga yetarlicha eksperimental dalillar mavjud emas.

 Fundamental oʻzaro taʼsirlar haqida umumiy tushuncha 
thumb|400px|Elementar va tarkibiy zarrachalarning turli oilalari hamda ularning oʻzaro taʼsirlarini tavsiflovchi nazariyalar haqida umumiy koʻrinish. Chap tomonda fermionlar, oʻng tomonda esa bozonlar joylashgan.

Fundamental oʻzaro taʼsirlarning kontseptual modeliga koʻra, materiya fermionlardan tashkil topgan boʻlib, ular zaryad va spin ± kabi xususiyatlarga ega. Spin – bu ichki burchak momenti boʻlib, qiymati ± ga teng (bu yerda ħ kamaytirilgan Plank doimiysidir). Plank nazariyasiga koʻra, kvant energiyasi yorugʻlik chastotasiga 
toʻgʻri proporsional. Fermionlar bir-birlari bilan taʼsirlashganda bozonlarni almashish orqali tortishish yoki itarilish hosil qiladi.

Istalgan ikkita fermionning oʻzaro taʼsiri perturbatsiya nazariyasi doirasida quyidagicha modellashtirilishi mumkin:
 Ikki fermion oʻzaro taʼsirga kiradi → bozon almashinuvi orqali oʻzaro taʼsir yuz beradi → oʻzgargan ikki fermion chiqadi.

Bozonlar almashinuvi fermionlar orasida energiya va impulsni tashib, ularning tezligi va harakat yoʻnalishini oʻzgartiradi. Bundan tashqari, ushbu almashinuvi fermionlar orasida zaryadni ham oʻtkazishi mumkin, natijada fermionlarning zaryadi oʻzgaradi yoki ular boshqa turdagi fermionlarga aylanishi mumkin. Bozonlar bir birlik burchak momentini tashigani bois, almashinuv jarayonida fermionning spini + dan − ga (yoki aksincha) oʻzgaradi, bu oʻzgarish kamaytirilgan Plank doimiysi birliklarida oʻlchanadi. Bunday oʻzaro taʼsir natijasida impulsning oʻzgarishi yuz berib, klassik Nyuton kuchlarini hosil qilishi mumkin. Kvant mexanikasida esa fiziklar „kuch“ va „oʻzaro taʼsir“ atamalarini koʻpincha bir-birining oʻrnida ishlatadilar; masalan, kuchsiz oʻzaro taʼsir baʼzan „zaif kuch“ deb ham ataladi.

Hozirgi tushunchalarga koʻra, toʻrtta asosiy oʻzaro taʼsir yoki kuch mavjud: gravitatsiya, elektromagnetizm, kuchsiz oʻzaro taʼsir va kuchli oʻzaro taʼsir. Ushbu kuchlarning kattaligi va xatti-harakati bir-biridan sezilarli darajada farq qiladi, bu esa quyidagi jadvalda koʻrsatilgan. Zamonaviy fizika har bir kuzatilgan fizik hodisani ushbu asosiy oʻzaro taʼsirlar orqali tushuntirishga harakat qiladi. Bundan tashqari, turli xil oʻzaro taʼsir ni kamaytirish ilm-fan uchun muhim va kerakli yoʻnalish sifatida qaraladi. Bunga misol sifatida quyidagi birlashmalar keltiriladi:

 Elektr va magnit kuchlarning elektromagnetizmga birlashishi;;
 Elektromagnit oʻzaro taʼsir va kuchsiz oʻzaro taʼsirning elektrokuchsiz oʻzaro taʼsirga birlashishi; quyida batafsil keltirilgan..

Jadvalda keltirilgan kuchlarning kattaligi („nisbiy kuch“) va ular bilan bogʻliq potensialning „masofasi“ faqat murakkab nazariy asoslar doirasida mazmunli boʻladi. Quyidagi jadval hozirgi kunda ham tadqiqotlar markazida boʻlgan kontseptual sxemaning xususiyatlarini aks ettiradi.

 Oʻzaro taʼsir Joriy nazariya Vositachilar Nisbiy kuchApproximate. See Coupling constant for more exact strengths, depending on the particles and energies involved. Uzoq masofali xatti-harakat (potensial) Masofa (m) Kuchsiz Elektr kuchsizlik nazariyasi (EWT) W va Z bozonlar 1033 10−18 Kuchli Kvant xromodinamikasi (QCD) glyuonlar 1038 (Rang cheklanishi) 10−15 Gravitatsiya Umumiy nisbiylik nazariyasi(GR) gravitonlar (faraziy) 1 Elektromagnit Kvant elektrodinamikasi (QED) Fotonlar 1036 

Zamonaviy (perturbativ) kvant mexanikasi nuqtai nazariga koʻra, gravitatsiyadan tashqari boshqa fundamental kuchlar zarrachalarining oʻzaro taʼsiri toʻgʻridan-toʻgʻri emas, balki bilvosita sodir boʻladi. Modda zarrachalari, yaʼni fermionlar, bir-birlari bilan bevosita taʼsirlashmaydi; ular oʻzida zaryadni tashiydi va virtual zarrachalar – oʻzaro taʼsir vositachilari yoki kuch tashuvchi zarrachalar, yaʼni kalibrlash bozonlari – orqali almashinadi. Masalan, fotonlar elektr zaryadlari oʻrtasidagi oʻzaro taʼsirni vositachilik qiladi, glyuonlar esa rang zaryadlari oʻrtasidagi kuchlarni boshqaradi. Toʻliq nazariya esa faqat fermionlarning bozonlar bilan almashinuvini emas, balki boshqa murakkab perturbatsiyalarni ham oʻz ichiga oladi. Bu qoʻshimcha perturbatsiyalar bosonlarning fermionlar bilan almashinuvini, zarrachalarning yaratilishi yoki yoʻq qilinishini ham qamrab oladi. Ushbu jarayonlar va ularning tafsilotlarini koʻrib chiqish uchun Feynman diagrammalaridan foydalaniladi.

 Oʻzaro taʼsirlar 
 Gravitatsiya 

Gravitatsiya oʻzaro taʼsiri dunyoning fizik manzarasini belgilaydigan toʻrtta asosiy oʻzaro taʼsirlardan biri hisoblanadi. Gravitatsiya atom miqyosida toʻrtta oʻzaro taʼsir ichida eng zaifidir, chunki bu miqyosda elektromagnit oʻzaro taʼsir ustunlik qiladi.

Gravitatsiya toʻrtta asosiy kuch ichida astronomik obyektlar va ulkan masofalar uchun eng muhim hisoblanadi. Buning birinchi sababi shundaki, gravitatsiya elektromagnetizm kabi cheksiz taʼsir doirasiga ega, kuchli va kuchsiz oʻzaro taʼsirlardan farqli oʻlaroq. Ikkinchi sababi esa gravitatsiyaning faqat tortishish kuchiga ega boʻlib, hech qachon itarilmasligidir. Bunga qarshi ravishda, astronomik jismlar odatda elektr zaryadlari boʻyicha deyarli neytral holatda boʻladi, natijada zaryadlarning bir-birini tortishi va qarama-qarshi zaryadlarning itarilishi bir-birini asosan neytrallashtiradi. Shu sababli gravitatsiya astronomik miqyosda hukmron kuch sifatida namoyon boʻladi.

Garchi elektromagnetizm gravitatsiyaga nisbatan ancha kuchli boʻlsa-da, yirik osmon jismlari – sayyoralar, yulduzlar va galaktikalar uchun elektrostatik tortishish deyarli ahamiyatga ega emas. Buning sababi shundaki, bunday jismlar tarkibida protonlar va elektronlar soni teng boʻlib, natijada ularning umumiy elektr zaryadi nolga tenglashadi. Gravitatsiya esa faqat tortishish kuchiga ega boʻlib, hech qanday narsa uni „bekor qila olmaydi“. Elektr kuchlari tortishish yoki itarilish xususiyatiga ega boʻlsa, gravitatsiya har doim faqat tortadi. Shu sababli, massaga ega boʻlgan barcha jismlar gravitatsion kuch taʼsirida boʻladi va aynan gravitatsiya koinotning ulkan tuzilmalari miqyosida hukmron kuch sifatida namoyon boʻladi.

Gravitatsiyaning uzoq masofalarga taʼsir qilish xususiyati uni galaktikalarning tuzilishi va qora tuynuklar kabi ulkan miqyosdagi hodisalarning asosiy sababchisi sifatida ajratib koʻrsatadi. Faqat tortishish kuchiga ega boʻlganligi sababli, gravitatsiya koinotning kengayishini sekinlashtiradi. , gravitatsiya oʻrta miqyosdagi astronomik hodisalarni, masalan, sayyoralar orbitalarining harakatini izohlashda ham muhim oʻrin tutadi. Kundalik hayotda esa gravitatsiya oddiy hodisalarni tushuntiradi: jismlar yerga tushadi, ogʻir jismlar goʻyo yerga „yopishib“ qolgandek harakat qiladi, va hayvonlarning sakrash balandligi maʼlum chegaradan oshmaydi.

Gravitatsiya matematik tarzda birinchi boʻlib tasvirlangan oʻzaro taʼsir hisoblanadi. Qadimgi davrlarda Aristotel jismlar massasiga qarab turli tezlikda tushishini taxmin qilgan edi. Ammo ilmiy inqilob davrida Galileo Galilei tajribalar yordamida bu taxminning ayrim sharoitlarda notoʻgʻri ekanligini isbotladi. Agar havo qarshiligi va suyuqlikning koʻtarish kuchi eʼtiborga olinmasa (masalan, havoga toʻlgan shar va suvga toʻlgan sharni tushirish holatida), barcha jismlar Yerga bir xil tezlikda tezlanadi. Isaak Nyutonning 1687-yilda ishlab chiqqan Butun olam tortishish qonuni gravitatsiyaning xatti-harakatini yaxshi tushuntiruvchi nazariya boʻlib xizmat qildi. Hozirgi zamonaviy gravitatsiya haqidagi tushunchalar esa Albert Eynshteynning 1915-yilda ishlab chiqqan Umumiy nisbiylik nazariyasiga asoslanadi. Bu nazariya, ayniqsa, koinotdagi ulkan massalar va masofalar uchun aniqroq tushuntirishni taqdim etib, gravitatsiyani fazo-vaqt geometriyasi orqali izohlaydi.

Umumiy nisbiylik va kvant mexanikasi (yoki kvant maydon nazariyasi)ni yagona nazariya doirasida birlashtirib, kvant gravitatsiyasining yanada kengroq va chuqurroq nazariyasini yaratish bugungi kundagi faol ilmiy izlanishlarning muhim yoʻnalishlaridan biridir. Tadqiqotchilar taxminiga koʻra, gravitatsiya graviton deb ataluvchi massaga ega boʻlmagan va spin-2 xususiyatiga ega zarracha orqali vositachilik qiladi. Ushbu yondashuv gravitatsiya va kvant nazariyasini birlashtirish yoʻlidagi muhim qadam boʻlib, koinotning yanada chuqur tushunchasini yaratishga intilmoqda.

Garchi umumiy nisbiylik nazariyasi tajriba orqali tasdiqlangan boʻlsa-da (kamida kuchsiz gravitatsion maydonlar uchun, masalan, qora tuynuklar bundan mustasno), unga muqobil nazariyalar ham mavjud. Bunday nazariyalar muayyan sharoitlarda umumiy nisbiylikka moslashishi kerak. Hozirgi kuzatuvlar va tadqiqotlarning asosiy yoʻnalishi umumiy nisbiylikdan qanday chetlanishlar mumkinligini aniqlash va ushbu chetlanishlarning chegaralarini belgilashga qaratilgan.

Taklif qilinayotgan qoʻshimcha oʻlchamlar gravitatsiya kuchining nisbatan zaifligi sababini izohlashi mumkin.

 Elektrokuchsiz oʻzaro taʼsir 
Kundalik hayotda uchraydigan past energiya sharoitlarida elektromagnetizm va kuchsiz oʻzaro taʼsir bir-biridan mutlaqo farqli kuchlar sifatida namoyon boʻladi va ularni alohida nazariyalar yordamida tushuntirish mumkin. Ammo energiya darajasi birlashuv energiyasi, yaʼni taxminan 100 GeV ga yetganda, ushbu ikki kuch oʻzaro birlashib, yagona elektrokuchsiz kuchni hosil qiladi. Bu birlashuv kuchlarning asosiy tabiatini chuqurroq tushunish imkonini beradi.

Elektrokuchsiz nazariya zamonaviy kosmologiya uchun muhim ahamiyatga ega boʻlib, koinotning dastlabki rivojlanish bosqichlarini tushunishda asosiy rol oʻynaydi. Katta portlashdan soʻng, harorat 1015 K dan yuqori boʻlgan paytda, elektromagnit kuch va kuchsiz oʻzaro taʼsir hali birlashgan holda yagona elektrokuchsiz kuch sifatida mavjud edi. Ushbu nazariya koinotning ilk bosqichlarida sodir boʻlgan hodisalarni izohlashda hal qiluvchi rol oʻynaydi va koinotning umumiy evolyutsiyasini anglashga yordam beradi.

Elementar zarrachalar oʻrtasida kuchsiz va elektromagnit oʻzaro taʼsirlarni birlashtirish boʻyicha ilmiy ishlari va ulkan hissalari uchun Abdus Salam, Sheldon Glashow va Stiven Vaynberg 1979-yilda fizika boʻyicha Nobel mukofotiga sazovor boʻlishdi. Ushbu yutuq zamonaviy zarralar fizikasi va kosmologiyasining rivojlanishiga ulkan hissa qoʻshgan va fundamental kuchlarning birlashuvini chuqurroq anglashda muhim qadam boʻlgan p.84.

 Elektromagnetizm 

Elektromagnetizm – bu elektr zaryadlangan zarrachalar orasida taʼsir koʻrsatuvchi kuch boʻlib, u ikkita asosiy hodisani qamrab oladi: birinchidan, elektrostatik kuch – tinch holatda turgan zaryadlangan zarrachalar oʻrtasidagi oʻzaro tortishish va itarilish; ikkinchidan, bir-biriga nisbatan harakatlanayotgan zaryadlangan zarrachalar oʻrtasida kuzatiladigan elektr va magnit kuchlarining oʻzaro bogʻliq taʼsiri.

Elektromagnetizm ham gravitatsiya kabi cheksiz masofaga taʼsir qiluvchi kuch boʻlsa-da, uning kuchi ancha kattaroqdir. Aynan shu kuch elektronlarni atomlar bilan bogʻlaydi va molekulalarni bir butun holatda ushlab turadi. Kundalik hayotimizda uchraydigan yorugʻlik, magnitizm, elektr toki va ishqalanish kabi hodisalar aynan elektromagnetizm taʼsirida yuzaga keladi. Bundan tashqari, elektromagnetizm kimyoviy elementlarning barcha makroskopik xususiyatlarini va atom darajasidagi koʻplab xossalarini belgilab beradi.

Taxminan toʻrt kilogramm (~1 gallon) suv solingan idishda quyidagilar mavjud:

Agar biz bunday ikkita idishni bir metr masofada qoʻysak, bir idishdagi elektronlar ikkinchi idishdagi elektronlarga qarshi quyidagi kuch bilan taʼsir qiladi:

Ushbu kuch Yer sayyorasining ogʻirligidan koʻp barobar kattaroqdir. Bir idishdagi atom yadrolari ham ikkinchi idishdagilarni xuddi shu kuch bilan itaradi. Biroq, bu itaruvchi kuchlar idish Aʼdagi elektronlarning idish B’dagi yadrolar bilan va idish Aʼdagi yadrolarning idish B’dagi elektronlar bilan tortilishi natijasida bekor boʻladi, natijada hech qanday sof kuch qolmaydi. Elektromagnit kuchlar gravitatsiyadan ancha kuchliroq boʻlsa-da, ular koʻpincha bir-birini bekor qiladi, shuning uchun astronomik oʻlchamdagi jismlar uchun gravitatsiya hukmronlik qiladi.

Elektr va magnit hodisalari qadim zamonlardan beri kuzatilgan boʻlsa-da, faqatgina 19-asrda James Clerk Maxwell elektr va magnitizmning bitta asosiy oʻzaro taʼsirning ikki jihati ekanligini aniqladi. 1864 yilda Maksvellning tenglamalari ushbu birlashgan oʻzaro taʼsirni aniq va toʻliq ifodaladi. Maksvell nazariyasi, vektor hisoblash usuli yordamida qayta taʼriflangan holda, klassik elektromagnitizm nazariyasini tashkil etadi va koʻplab texnologik maqsadlar uchun mukammal mos keladi.

Vakumdagi yorugʻlik tezligi (odatda kichik harf c bilan belgilanadi) Maksvell tenglamalaridan kelib chiqadi va ular maxsus nisbiylik nazariyasi bilan mos keladi. Ammo, Albert Einsteinning 1905-yildagi maxsus nisbiylik nazariyasi, yorugʻlikning tezligi kuzatuvchining harakat tezligidan qatʼi nazar doimiy boʻlishini aniqlashdan kelib chiqqan holda, Maksvellning tenglamalari tomonidan keltirilgan nazariy natijaning, elektromagnitizmga xos boʻlmagan va vaqt hamda makonning tabiati haqida chuqur va keng koʻlamli oqibatlarga ega ekanligini koʻrsatdi.

Fotoeffekt nazariyasi 1905-yilda A.Eynshteyn tomonidan asoslab berildi. Olim M.Plank gipotezasidan foydalanib,- elektromagnit toʻlqinlar ham alohida porsiyalar – keyinchalik fotonlar deb ataladigan kvantlardan iborat degan xulosaga keladi. Eynshteynning gʻoyasiga asosan, foton modda bilan taʼsirlashganda, energiyasi – hv ni butunlay elektronga beradi. 1927-yil atrofida Paul Dirac kvant mexanikasini nisbiy elektromagnitizm nazariyasi bilan birlashtirdi. 1940-yillarda Richard Feynmanning, Freeman Dysonning, Julian Schwingerning va Shin'ichirō Tomonaganing qoʻshimcha ishlari bilan bu nazariya toʻliq shaklga keldi va hozirda kvant elektrodinamika deb ataladi. Bu yangilangan elektromagnitizm nazariyasi boʻlib, kvant mexanika va kvant elektrodinamika kundalik elektron qurilmalarining ishlashi uchun zarur boʻlgan, klassik elektromagnitizm nazariyasida amalga oshib boʻlmaydigan kvant tunneling kabi elektromagnit xulq-atvorining nazariy asosini taʼminlaydi.

 Kuchsiz oʻzaro taʼsir 

Kuchsiz oʻzaro taʼsir yoki kuchsiz yadroviy kuch ayrim yadro hodisalari, xususan beta parchalanishi kabi jarayonlar uchun javobgardir. Bugungi kunda elektromagnit kuch va kuchsiz kuch yagona elektrokuchsiz oʻzaro taʼsirning ikki jihati sifatida qaraladi. Bu kashfiyot zamonaviy fizikadagi asosiy nazariya – Standart model tomon qoʻyilgan birinchi muhim qadam edi. Elektrokuchsiz oʻzaro taʼsir nazariyasiga koʻra, kuchsiz kuchni W va Z bozonlari deb ataluvchi katta massaga ega kalibrlash zarrachalari tashiydi. Kuchsiz oʻzaro taʼsirning oʻziga xosligi shundaki, u paritet simmetriyasini saqlamaydi, yaʼni oʻng va chap tomon oʻrtasida nosimmetrikdir. Bundan tashqari, u CP simmetriyasini ham buzadi, ammo CPT simmetriyasini saqlaydi.

 Kuchli oʻzaro taʼsir 

Kuchli oʻzaro taʼsir yoki kuchli yadroviy kuch barcha oʻzaro taʼsirlar ichida eng murakkab hisoblanadi, bu murakkablik uning masofa oʻzgarishiga qarab oʻzgarishida namoyon boʻladi. Kuchli oʻzaro taʼsir
vositasida nuklonlar birlashgan holda bir butun yadroni tashkil etadilar. Elektromagnit oʻzaro taʼsir asosan elektr zaryadiga ega boʻlgan zarralar va fotonlar orasida yuz beradi. Elektromagnit oʻzaro taʼsir atomlar va molekulalarning turgʻunligini taʼminlaydi. Tabiatda uchraydigan ishqalanish va elastiklik kuchlarini paydo boʻlishi sabab boʻladi. Bu oʻzaro taʼsir qattiq, suyuq va gazsimon holatda boʻlgan moddalarning juda koʻp xossalarini belgilab beradi va mikro hamda makroolamda yuz beradigan juda koʻp jarayonlarga sababchi deb hisoblanadi. Ushbu kuch nuklonlar orasida taxminan 1 femtometr (1 fm, yaʼni 10-15) metr masofada juda kuchli tortish kuchini hosil qiladi, ammo masofa 2,5 femtometrdan oshishi bilan tezda sezilarsiz darajaga tushib ketadi. Masofa 0,7 femtometrdan kichiklashganda esa yadro kuchi itaruvchi xususiyatga ega boʻladi. Aynan shu itaruvchi kuch yadrolarning jismoniy oʻlchamini belgilaydi, chunki nuklonlar bir-biriga bu kuch imkon bergan chegaradan yaqinroq kelolmaydi.

1908-yilda atom yadrosi kashf qilinganidan soʻng, olimlar musbat zaryadlangan protonlar oʻrtasidagi elektrostatik itarilishni yengib, yadroni bir butun saqlab turuvchi yangi kuch zarur ekanligini tushunib yetdilar. Bu elektrostatik itarilish elektromagnetizmning namoyon boʻlishi edi va agar bunday kuch boʻlmaganida, yadro barqaror boʻla olmas edi. Yangi kuch protonlarni juda kichik, taxminan 10-15 metr oʻlchamdagi hajmga siqib joylashtira oladigan darajada kuchli boʻlishi kerak edi – bu butun atom hajmidan bir necha barobar kichik. Ushbu kuchning qisqa masofada taʼsir etishi sababli, fizik Hideki Yukawa uni katta massaga ega boʻlgan zarracha orqali uzatiladi deb taxmin qilgan va bu zarrachaning massasi taxminan 100 MeV atrofida boʻlishi kerakligini hisoblab chiqqan edi.

1947-yilda pionning kashf etilishi zamonaviy zarrachalar fizikasi davrini boshlab berdi. 1940-yillardan 1960-yillargacha boʻlgan davrda yuzlab adronlar aniqlanib, kuchli oʻzaro taʼsirlanuvchi zarrachalar – adronlar haqidagi nihoyatda murakkab nazariya ishlab chiqildi. Ayniqsa quyidagilar eʼtiborga loyiq:
 Pionlar vakuum kondensatlarining tebranishlari sifatida tushuntirildi;
 Jun Jon Sakurai izospin va giperzaryadning taxminiy simmetriyalarini taʼminlovchi kuch tashuvchi zarrachalar sifatida rho va omega vektor bozonlarini taklif qilgan edi;
 Geoffrey Chew, Edward K. Burdett va Steven Frautschi ogʻirroq adronlarni simlarning tebranishlari va aylanishlari sifatida tushunish mumkin boʻlgan oilalarga guruhladilar. Ular bu hadronlarni simlarning vibratsiya va aylanishli kuxlanishlari sifatida tasavvur qildilar.

Har bir ushbu yondashuv oʻzining alohida tushunchalarini taqdim etgan boʻlsa-da, hech biri toʻgʻridan-toʻgʻri asosiy nazariyaga olib kelmadi.

Murray Gell-Mann va George Zweig 1961-yilda birinchi boʻlib zaryadi boʻlinadigan kvarklarni taklif qildilar. 1960-yillarda turli mualliflar kvarklar oʻrtasidagi oʻzaro taʼsirlarni oddiy modellarda aks ettirishga urinishdi, bu esa zamonaviy kvant xromodinamikasi (QCD) nazariyasiga oʻxshash yondashuvlar edi. QCD gluonlarini birinchi boʻlib taxmin qilganlar Moo-Young Han va Yoichiro Nambu boʻlib, ular kvarklarning rang zaryadini kiritdilar. Han va Nambu bu rang zaryadining kuch tashuvchi maydon bilan bogʻliq boʻlishi mumkinligini taxmin qildilar. Biroq, oʻsha davrda bunday model kvarklarni doimiy ravishda qamrab olishni qanday amalga oshirish mumkinligi hali aniq emas edi. Han va Nambu har bir kvark rangiga butun sonli elektr zaryadini tayinladilar, shuning uchun kvarklar faqat oʻrtacha hisobda boʻlinadigan zaryadga ega boʻlgan va ular oʻz modellari doirasida kvarklarning doimiy ravishda qamrab olinishi mumkin deb hisoblamadilar.

1971-yilda Murray Gell-Mann va Harald Fritzsch Han/Nambu rang zaryad maydoni boʻlinadigan zaryadga ega kvarklarning qisqa masofadagi oʻzaro taʼsirlarini tasvirlovchi toʻgʻri nazariyani taklif qilishdi. Biroz keyinroq, David Gross, Frank Wilczek va David Politzer ushbu nazariyaning assimptotik erkinlik (asymptotic freedom) xususiyatiga ega ekanligini kashf etdilar, bu esa ularga tajriba maʼlumotlari bilan bogʻlanish imkonini berdi. Ular QCD (kvant xromodinamikasi) kuchli oʻzaro taʼsirlarning toʻliq nazariyasi ekanligini va barcha masofa oʻlchamlarida toʻgʻri ekanligini aniqladilar. Assimptotik erkinlikning kashf etilishi, koʻpchilik fiziklarni QCDni qabul qilishga olib keldi, chunki endi aniq boʻldiki, kuchli oʻzaro taʼsirlarning uzoq masofadagi xususiyatlari ham tajribalar bilan mos kelishi mumkin, agar kvarklar doimiy ravishda qamrab olingan boʻlsa: kuchli oʻzaro taʼsir masofa ortishi bilan cheksiz oshadi, bu esa kvarklarni hadronlar ichida tutib turadi.

Agar kvarklar doimiy ravishda qamrab olingan deb faraz qilsak, Mikhail Shifman, Arkady Vainshtein va Valentine Zakharov QCD (kvant xromodinamikasi) yordamida koʻplab past energiyali hadronlarning xususiyatlarini toʻgʻridan-toʻgʻri hisoblab chiqishdi, faqat boʻshliqni tasvirlash uchun bir nechta qoʻshimcha parametrlar kerak boʻldi. 1980-yilda Kenneth G. Wilson QCD ning birinchi prinsiplariga asoslangan kompyuter hisob-kitoblarini nashr etdi va bu, ishonch darajasida deyarli aniq, QCD kvarklarni doimiy ravishda qamrab olishini isbotladi. Shundan beri, QCD kuchli oʻzaro taʼsirlar nazariyasi sifatida rasmiy ravishda qabul qilindi.

QCD – bu fraksion yuklangan kvarklarning 8 ta bozonik zarracha, yaʼni gluonlar yordamida oʻzaro taʼsir qilishi haqidagi nazariya. Gluonlar nafaqat kvarklar bilan, balki oʻzaro ham taʼsir oʻtkazadi, va uzoq masofalarda kuch chiziqlari ip shaklida toʻplanadi, bu esa chiziqli potentsial sifatida, doimiy tortish kuchi bilan tasvirlanadi. Shu tarzda, QCD matematik nazariyasi nafaqat kvarklarning qisqa masofalarda qanday oʻzaro taʼsir qilishini, balki Chew va Frautschi tomonidan kashf etilgan va uzoq masofalarda namoyon boʻladigan ipga oʻxshash xulq-atvorni ham tushuntiradi.

 Higgs oʻzaro taʼsiri 
Anʼanaviy ravishda, Higgs taʼsiri toʻrt asosiy kuchlar orasida sanalmaydi.

Shunga qaramay, Higgs oʻzaro taʼsiri na gauge oʻzaro taʼsiri, na har qanday diffeomorfizm simmetriyasi orqali hosil boʻladigan taʼsir boʻlsa-da, Higgs maydonining kubik Yukawa ulanishi zaif tortuvchi beshinchi oʻzaro taʼsirni keltirib chiqaradi. Higgs mexanizmi orqali sponton simmetriya buzilishi sodir boʻlgach, Yukawa ifodalari quyidagi shaklda qoladi:
 ,
bu yerda  – Yukawa ulanishi,  – zarra massasi (eV da), va Higgsning vakuum kutilgan qiymati 246,22 GeV. Shunday qilib, juftlashtirilgan zarrailar virtual Higgs bozonini almashishlari mumkin, natijada quyidagi shakldagi klassik potentsialni hosil qiladi:
 ,
bu yerda Higgs massasi 125,18 GeV. Chunki Higgs bozonining qisqarilgan Kompton toʻlqin uzunligi juda kichik (1,576×10-18 m, W va Z bozonlari bilan solishtirganda), bu potentsialning samarali masofasi bir necha attometrga teng. Ikki elektron oʻrtasida, bu potentsial taxminan 1011 marta zaifroq boʻlib boshlanadi, va nolga teng boʻlmagan masofalarda eksponensial ravishda zaiflashadi.

 Standart Modeldan tashqari 
Koʻplab nazariy izlanishlar mavjud boʻlib, ular toʻrt asosiy oʻzaro taʼsirni elektrovzayod birlashuvi modeli asosida tizimlashtirishga qaratilgan.

Buyuk Birlashgan Nazariyalar (GUT) – bu Standart Model tomonidan tasvirlangan uchta asosiy oʻzaro taʼsirning barchasining bir xil oʻzaro taʼsirning turli namoyon boʻlishlari sifatida koʻrsatilishini maqsad qilgan takliflardir. Ushbu takliflarga koʻra, simmetriyalar yuqori energiya darajasida buzilib, juda yuqori darajadagi energiya ostida alohida oʻzaro taʼsirlar shakllanadi. BBNlar, shuningdek, Standart Modelda bogʻlanmagan deb hisoblangan tabiatning doimiylari oʻrtasidagi baʼzi munosabatlarni prognoz qilishni kutadi, shuningdek, elektromagnit, zaif va kuchli kuchlarning nisbiy kuchlari uchun oʻlchov bogʻlanishini prognoz qilishadi (masalan, bu 1991 yilda Katta Elektron–Pozitron Kollayderida supersimmetrik nazariyalar uchun tasdiqlangan).

Hammasini nazariyalar, GUTʼlarni kvant gravitatsiya nazariyasi bilan birlashtirgan holda, yanada katta toʻsiqqa duch kelmoqda, chunki hech qanday kvant gravitatsiya nazariyalari, jumladan, string nazariyasi, halqa kvant gravitatsiyasi va twistor nazariyasi keng miqyosda qabul qilinmagan. Baʼzi nazariyalar kuchni olib yuruvchi zarrachalar roʻyxatini toʻldirish uchun gravitonni qidirishsa, boshqalari, masalan, halqa kvant gravitatsiyasi, vaqt-boʻshliqning oʻzi kvant jihatiga ega boʻlishi mumkinligini taʼkidlamoqda.

Baʼzi nazariyalar Standart Modeldan tashqarida, gipotez qilingan beshinchi kuchni oʻz ichiga oladi va bunday kuchni izlash tajriba fizikasi tadqiqotlarining davom etayotgan yoʻnalishidir. Supersimmetrik nazariyalarda baʼzi zarrachalar oʻz massalarini faqat supersimmetriya buzilishi taʼsiri orqali oladi, va bu zarrachalar, moduli deb ataladi, yangi kuchlarni uzatishda vositachilik qilishi mumkin. Yangi kuchlarni izlashning yana bir sababi, koinotning kengayishi tezlashayotgani (shuningdek, qora energiya deb ataladi) kashf etilishi boʻlib, bu kosmologik doimiy sonni tushuntirish zaruratini tugʻdiradi va ehtimol, umumiy nisbiylikka boshqa oʻzgartirishlar kiritishni talab qiladi. Beshinchi kuchlar, shuningdek, CP buzilishi, qorongʻu modda va qorongʻu oqim kabi hodisalarni izohlash uchun taklif qilingan.

 

 
 2nd ed.
 
 While all interactions are discussed, discussion is especially thorough on the weak.
 
 
 
 
 

Turkum:Fundamental oʻzaro taʼsirlar
Turkum:Fizik hodisalar