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 ~ 10~8с.и) электромагнитные силы на много порядков превышают ядерные, радиус действия к-рых ~ 10~13сл. 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: jм - 4-мерный вектор плотности электрич. 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- 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-i3(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 = E222 <> <>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+ - 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.

электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве с конечной скоростью. Существование Э. в. было предсказано М. Фарадеем в 1832. Дж. Максвелл в 1865 теоретически показал, что электромагнитные колебания не остаются локализованными в пространстве, а распространяются в вакууме со скоростью света с во все стороны от источника. Из того обстоятельства, что скорость распространения Э. в. в вакууме равна скорости света, Максвелл сделал вывод, что свет представляет собой Э. в. В 1888 максвелловская теория Э. в. получила подтверждение в опытах Г. Герца, что сыграло решающую роль для её утверждения.

Теория Максвелла позволила единым образом подойти к описанию радиоволн, света, рентгеновских лучей и гамма-излучения. Оказалось, что это не излучения различной природы, а Э. в. с различной длиной волны. Частота со колебаний электрич. Е и магнитного Н полей связана с длиной волны Л соотношением: Л = 2лс/шо. Радиоволны, рентгеновские лучи и у-излучение находят своё место в единой шкале Э. в. (рис.), причём между соседними диапазонами шкалы Э. в. нет резкой границы.

Особенности Э. в., законы их возбуждения и распространения описываются Максвелла уравнениями. Если в какой-то области пространства существуют электрич. заряды е и токи /, то изменение их со временем t приводит к излучению Э. в. На скорость распространения Э. в. существенно влияет среда, в к-рой они распространяются. Э. в. могут испытывать преломление, в реальных средах имеет место дисперсия волн, вблизи неоднородностей наблюдаются дифракция волн, интерференция волн (прямой и отражённой), полное внутр. отражение и др. явления, свойственные волнам любой природы. Пространств, распределение электромагнитных полей, временные зависимости E(t) и H(t), определяющие тип волн (плоские, сферические и др.), вид поляризации (см. Поляризация волн) и др. особенности Э. в. задаются, с одной стороны, характером источника излучения, и с другой - свойствами среды, в к-рой они распространяются. В случае однородной и изотропной среды, вдали от зарядов и токов, создающих электромагнитное поле, ур-ния Максвелла, приводят к волновым ур-ниям:

описывающим распространение плоских монохроматич. Э. в.:

Здесь е - диэлектрическая проницаемость, ц - магнитная проницаемость среды, Ео и Но - амплитуды колебаний электрич. и магнитных полей, со - частота этих колебаний, ф - произвольный сдвиг фазы, k - волновой вектор, r - радиус-вектор точки; V2 - Лапласа оператор.

Если среда неоднородна или содержит поверхности, на к-рых изменяются её электрич. либо магнитные свойства, или если в пространстве имеются проводники, то тип возбуждаемых и распространяющихся Э. в. может существенно отличаться от плоской линейно-поляризованной волны. Э. в. могут распространяться вдоль направляющих поверхностей (п о-верхностные волны), в передающих линиях и в полостях, образованных хорошо проводящими стенками (см. Радиоволновод, Световод, Квазиоптика).

Характер изменения во времени Е и Н определяется законом изменения тока / и зарядов е, возбуждающих Э. в. Однако форма волны в общем случае не следует l(t) или e(t). Она в точности повторяет форму тока только в случае, если и Э. в. распространяются в линейной среде (электрич. и магнитные свойства к-рой не зависят от Я и Н). Простейший случай - возбуждение и распространение Э. в. в однородном изотропном пространстве с помощью диполя Герца (отрезка провода длиной / <<Л, по к-рому протекает ток I - I0 sin шt). На расстоянии от диполя много большем \ образуется волновая зона (зона излучения), где распространяются сферич. Э. в. Они поперечные и линейно поляризованы. В случае анизотропии среды могут возникнуть изменения поляризации (см. Излучение и приём радиоволн).

В изотропном пространстве скорость распространения гармонич. Э. в., т. е. фазовая скорость

При наличии дисперсии скорость переноса энергии с (групповая скорость) может отличаться от v. Плотность потока энергии S, переносимой Э. в., определяется Пойн-тинга вектором: S = (с/4л) [ЕН]. Т. к. в изотропной среде векторы Е а Н ч волновой вектор образуют правовинтовую систему, то S совпадает с направлением распространения Э. в. В анизотропной среде (в т. ч. вблизи проводящих поверхностей) S может не совпадать с направлением распространения Э. в.

Появление квантовых генераторов, в частности лазеров, позволило достичь напряжённости электрич. поля в Э. в., сравнимых с внутриатомными полями. Это привело к развитию нелинейной теории Э. в. При распространении Э. в. в нелинейной среде (е и ц зависят от Е и Н) её форма изменяется. Если дисперсия мала, то по мере распространения Э. в. они обогащаются т. н. высшими гармониками и их форма постепенно искажается. Напр., после прохождения синусоидальной Э. в. характерного пути (величина к-poro определяется степенью нелинейности среды) может сформироваться ударная волна, характеризующаяся резкими изменениями Е и Н (разрывы) с их последующим плавным возвращением к первоначальным величинам. Ударная Э. в. далее распространяется без существ, изменений формы; сглаживание резких изменений обусловлено гл. обр. затуханием. Большинство нелинейных сред, в к-рых Э. в. распространяются без сильнсго поглощения, обладает значит, дисперсией, препятствующей образованию ударных Э. в. Поэтому образование ударных волн возможно лишь в диапазоне Л от неск. см до длинных волн. При наличии дисперсии в нелинейной среде возникающие высшие гармоники распространяются с различной скоростью и существенного искажения формы исходной волны не происходит. Образование интенсивных гармоник и взаимодействие их с исходной волной может иметь место лишь при специально подобранных законах дисперсии (см. Нелинейная оптика, Параметрические генераторы света).

Э. в. различных диапазонов Л характеризуются различными способами возбуждения и регистрации, по-разному взаимодействуют с веществом и т. п. Процессы излучения и поглощения Э. в. от самых длинных волн до инфракрасного излучения достаточно полно описываются соотношениями электродинамики. На более высоких частотах доминируют процессы, имеющие существенно квантовую природу, а в оптич. диапазоне и тем более в диапазонах рентгеновских и у-лучей излучение и поглощение Э. в. могут быть описаны только на основе представлений о дискретности этих процессов.

Квантовая теория поля внесла существенные дополнения и в само представление об Э. в. Во многих случаях электромагнитное излучение ведёт себя не как набор монохроматич. Э. в. с частотой со и волновым вектором k, а как поток квазичастиц - фотонов с энергией & = и импульсом р = hш/c = hk (h - Планка постоянная). Волновые свойства проявляются, напр., в явлениях дифракции и интерференции, корпускулярные - в фотоэффекте и Комптона эффекте.

Лит.: Т а м м И. Е., Основы теории электричества, 9 изд., М., 1976; Л а н д а у Л. Д., Л и ф ш и ц Е. М., Теория поля, 6 изд., М., 1973 (Теоретическая физика, т. 2); и х ж е, Электродинамика сплошных сред, М., 1959; Ландсберг Г. С., Оптика, 5 изд., М., 1976. В. В. Мшулин.




Смотреть больше слов в «Большой советской энциклопедии»

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ →← ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ

Смотреть что такое ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ в других словарях:

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

        тип фундаментальных взаимодействий (наряду с гравитационным, слабым и сильным), который характеризуется участием электромагнитного поля (См. Эл... смотреть

T: 185