ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ тип
фундаментальных взаимодействий (наряду с гравитационным, слабым и сильным),
к-рый 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 электрич. зарядами, осуществляется посредством электрич.
поля, создаваемого этими зарядами; сила притяжения пропорциональна произведению
зарядоз н 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 10⁸с.и) электромагнитные
силы на много порядков превышают ядерные, радиус действия к-рых 10¹³сл.
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 макроскопич.
явлениях: сила трения, сила упругости и др. Свойства различных агрегатных
состояний вещества (кристаллов, аморфных тел, жидкостей, газов, плазмы),
хим. превращения, процессы излучения, распространения и поглощения электромагнитных
волн определяются Э. в. В детекторах частиц высокой энергии используется
явление ионизации атомов вещества электрич. полем пролетающих частиц.
Процессы расщепления ядер фотонами, реакции фоторождения мезонов, радиац.
(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 к-рых участвуют слабые,
медленно меняющиеся электромагнитные поля (hш<<E, где ш - характерная
круговая частота изменения поля, h - постоянная Планка, Е - энергия
поля), управляются законами классич. электродинамики, к-рая описывается
Максвелла
уравнениями. Для сильных или быстро меняющихся полей (hш = Е) существенны
квантовые эффекты. Кванты поля электромагнитного излучения (фотоны, или
у - кванты), характеризующие корпускулярные свойства электромагнитного
поля, имеют энергию Е = hш,

импульс

(и - единичный вектор в направлении распространения
электромагнитной волны, с - скорость света), спин J = 1 и
отрицат. зарядовую чётность (чётность относительно операции
зарядового
сопряжения). Взаимодействия между фотонами у, электронами (е^-),
позитронами (е⁺) и мюонами (м ⁺ , м^-)
описываются ур-ниями квантовой электродинамики, к-рая является наиболее
последоват. образцом квантовой теории поля. При Э. в. адронов
(сильно
взаимодействующих частиц) и атомных ядер существенную роль играет сильное
взаимодействие, теория к-рого пока полностью не разработана.

Константой Э. в. в квантовых явлениях служит
элементарный
электрический заряд е=4,8*10^-'° ед. заряда СГСЭ; интенсивность
электромагнитных процессов в микромире пропорциональна безразмерному параметру
а = е²/hc= 1/137, наз. постоянной тонкой структуры; более точное
значение (на 1976): а^-1 = = 137,035987(23).



Характерные черты Э. в.
Среди др.
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^-21сех) значительно превосходят
"ядерные" времена (10^-22- 10^-24 сек) 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,
электрич. 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 изотопич.
спин адронов может измениться при испускании или поглощении фотона не более
чем на 1 (см., напр., Пи-мезоны). Унитарная симметрия адронов (5и(3)-симметрия;
см. Элементарные частицы) приводит к определённым соотношениям между
электромагнитными характеристиками (напр., магнитными моментами) частиц,
принадлежащих к одному и тому же унитарному мультиплету.

Законы сохранения и свойства фотонов в
значит, степени определяют специфич. черты Э. в. Так, равенство нулю массы
покоя фотона обусловливает дальнодействующий характер Э. в. между заряженными
частицами, а его отрицат. зарядовая чётность - возможность радиац. распада
абсолютно нейтральных частиц или связанных систем частиц [т. е. частиц
(систем), тождественных своим античастицам}, обладающих положит,
зарядовой чётностью,- л°-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 макроскопич.
проявления обусловлены дальнодейству-ющим характером Э. в. и тем, что фотоны
подчиняются Базе - Эйнштейна статистике. Малая величина а определяет
малость сечений электромагнитных процессов с участием адронов по сравнению
с сечениями аналогичных процессов, протекающих за счёт сильных взаимодействий;
напр., сечение рассеяния фотона с энергией 320 Мэв на протоне составляет
ок. 2*10^-30 см², что примерно в 10⁵ раз
меньше сечения рассеяния п⁺-мезона на протоне при соответствующей
полной энергии сталкивающихся частиц в системе их центра масс.

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

где: jэлектрич. тока: j = (cp,j), j - плотность тока, р - плотность
заряда. При градиентном преобразовании вектор-потенциала, к-рое наз. также
калибровочным преобразованием (2-го рода):

где f(x, t) - произвольная функция
координат х и времени t, наблюдаемые физ. величины (напряжённости
полей, вероятности электромагнитных процессов и т. п.) остаются неизменными.
Это свойство, специфич. для Э. в., получило назв. 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 м⁺м^-
на кулоновском поле ядер, сдвиг уровней энергии атомов из-за поляризации
электрон-позитронного вакуума (см. Вакуум физический) и др. эффекты,
в к-рых можно пренебречь структурой заряда (его отличием от точечнос-ти)
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^- = м⁺м^-при
больших энергиях сталкивающихся частиц (до 6 Гэв в системе центра
масс), фоторождения пар е⁺ е^-,м⁺м^-
с большими относит, 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^-15 см. Её предсказания с высокой
степенью точности согласуются с эксперимент, данными. Так, не найдено расхождения
между теоретич. и эксперимент, значениями магнитного момента мюона на уровне
10^-7%.

Характерной чертой электродинамич. процессов
при высоких энергиях Е(Е" >>mс², где т -
масса
электрона или мюона) является острая направленность вперёд угловых распределений
частиц (у, е^± , м*) - продуктов процессов: большая их
часть вылетает в пределах угла в ;V <= mc²/E
относительно
направления налетающих частиц.

Осн. вычислит, метод квантовой электродинамики
- теория возмущений: благодаря слабости Э. в. матрицу рассеяния процессов
с участием электромагнитного поля можно разложить в ряд по степеням малого
параметра ее 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) заряж. частицей входит
как составной элемент в любой электродинамич. процесс. Из-за малости а
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, к-рый отсутствует в классич. 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. м-е-универсальности, пока не получившей теоретич.
объяснения.



Э. в. адронов и атомных ядер. В
электромагнитных процессах с участием адронов (фоторождении мезонов, рассеянии
электронов и мюонов на протонах н 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, напр., 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 (преим. я-мезонов), испускаемых
адронами. Напр., среднеквадратичный радиус распределения заряда в протоне
определяется размерами этого "облака" и составляет 0,8* 10^-i3cм
(см.
Формфактор). Вместе со слабыми взаимодействиями Э. в. ответственны
за различие масс заряженных и нейтральных .частиц в изотопич. мультиплетах
(напр., п и р, л° и п). Короткодействующий характер сильных взаимодействий
определяет при энергиях
E<hc/R(R - размер адронной системы) участие
в реакциях лишь низших мультипольных моментов фотона и, как следствие этого,
плавную зависимость дифференц. сечений от углов. При высоких энергиях (Е>
2
Гэв)
угловые и энергетич. зависимости характеристик (сечений, поляризаций
и др.) процессов Э. в. адронов и чисто адронных процессов схожи [на рис.
2 о(ур) при Е> 2 Гэв слабо зависит от энергии, что характерно для
полных сечений взаимодействия адронов].

Это сходство легло в основу модели векторной
доминантности, согласно к-рой фотон взаимодействует с адронами, предварительно
перейдя в адронное состояние- векторные мезоны р°, ш, ф 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 ф-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/с²-р^2
<> <>0, где Я, р - энергия и трёхмерный импульс фотона (для
реального фотона q² = 0). Напр., для виртуального фотона,
которым обмениваются электрон и протон при рассеянии, q²
= -(4ЕЕ'/с²)* * sin² (v/2), где Е, Е' - энергии
электрона до и после рассеяния (для случая Е, Е'>> >>mс²),
в - 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^- = м⁺ +м^- при энергии
в системе центра масс 1019,5 Мэв наблюдаются отклонения от предсказаний
квантовой электродинамики, к-рые вытекают из данной модели (обусловлены
образованием ср-мезона в промежуточном состоянии; см. рис. 3, а). (Согласно
квантовой электродинамике, этот процесс происходит посредством превращения
пары е⁺е^- в виртуальный фотон у, а у - в пару
м⁺м^-.)

Однако модель векторной доминантности не
описывает Э. в. адронов при больших |q²| [|q²| >
2(Гэв/с)^г].
Так, измеренное сечение упругого рассеяния электронов на протонах,
к-рое зависит от пространств, распределения электрич. зарядов и токов внутри
нуклона, спадает с ростом |q²| значительно быстрее, чем предсказывается
моделью. Напротив, сечение глубоко неупругого рассеяния электронов (процесса
е^- + р = е^-+ адроны при больших передачах энергии
и импульса адронной системе) падает медленнее; при этом

с увеличением полной энергии W адронов
в конечном состоянии характер рассеяния приближается к характеру рассеяния
на точечной частице. Последнее обстоятельство привело к формулировке т.
н. партонной модели адронов; согласно этой модели адроны состоят из частей
(партонов), к-рые при взаимодействии с фотонами проявляют себя как бесструктурные
точечные частицы. Отождествление пар-тонов с кварками
оказалось
плодотворным для понимания глубоко неупругого рассеяния.

Несмотря на то, что Э. в. - наиболее полно
изученный тип фундаментального взаимодействия, его продолжают интенсивно
исследовать во мн. науч. центрах. Это обусловлено как исключит, многообразием
микроскопич. и макроскопич. проявлений Э. в., имеющих прикладное значение,
так и уникальной ролью электромагнитного поля (как хорошо изученного объекта)
в исследовании строения вещества на предельно малых расстояниях, в получении
сведений о др. типах взаимодействий, в выявлении новых законов и принципов
симметрии в природе. Эти фундаментальные исследования ведутся с использованием
прецизионных методов атомной и ядерной спектроскопии, с помощью полученных
на ускорителях интенсивных пучков фотонов, электронов, мюонов высокой энергии,
в космических лучах.

Лит.: Электромагнитные взаимодействия
и структура элементарных частиц, пер. с англ., М., 1969; Ахиезер А. И.,
Бересте ц-кий В. Б., Квантовая электродинамика, 3 изд., М., 1969; Ф е л
ь д Б., Модели элементарных частиц, пер. с англ., М., 1971; Фейнман Р.,
Взаимодействие фотонов с адронами, пер. с англ., М., 1975; Ваинберг С.,
Свет как фундаментальная частица, пер. с англ., "Успехи физических наук",
1976, т. 120, в. 4. А. И. Лебедев.

А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я