Vājš spēks ir viens no četriem pamatspēkiem, kas pārvalda visu matēriju Visumā. Pārējie trīs ir gravitācija, elektromagnētisms un spēcīgais spēks. Kamēr citi spēki satur lietas kopā, vājam spēkam ir liela nozīme to sagraušanā.
Vājš spēks ir spēcīgāks par gravitāciju, taču tas ir efektīvs tikai ļoti mazos attālumos. Spēks darbojas subatomiskā līmenī, un tam ir izšķiroša nozīme enerģijas nodrošināšanā zvaigznēm un elementu radīšanā. Tas ir atbildīgs arī par lielāko daļu dabiskā starojuma Visumā.
Fermi teorija
Itāliešu fiziķis Enriko Fermi 1933. gadā izstrādāja teoriju, lai izskaidrotu beta sabrukšanu, neitrona pārvēršanas procesu protonā un elektrona izraidīšanu, ko šajā kontekstā bieži dēvē par beta daļiņu. Viņš identificēja jauna veida spēku, tā saukto vājo spēku, kas bija atbildīgs par sabrukšanu, kas ir pamatprocess neitrona pārvēršanai protonā, neitrīno un elektronā, kas vēlāk tika identificēts kā antineitrīns.
Fermi sākotnējipieņemts, ka attālums un saķere ir nulle. Abām daļiņām bija jāsaskaras, lai spēks darbotos. Kopš tā laika ir atklāts, ka vājais spēks patiesībā ir pievilcīgs spēks, kas izpaužas ārkārtīgi nelielā attālumā, kas vienāds ar 0,1% no protona diametra.
Electroweak spēks
Radioaktīvās sabrukšanas gadījumā vājais spēks ir aptuveni 100 000 reižu mazāks nekā elektromagnētiskais spēks. Tomēr tagad ir zināms, ka tas pēc būtības ir vienāds ar elektromagnētisko, un tiek uzskatīts, ka šīs divas acīmredzami atšķirīgas parādības ir viena elektrovāja spēka izpausmes. To apstiprina fakts, ka tie apvienojas ar enerģiju, kas lielāka par 100 GeV.
Dažreiz saka, ka vājā mijiedarbība izpaužas molekulu sabrukšanā. Tomēr starpmolekulāriem spēkiem ir elektrostatisks raksturs. Tos atklāja van der Vāls, un tiem ir viņa vārds.
Standarta modelis
Vāja mijiedarbība fizikā ir daļa no standarta modeļa – elementārdaļiņu teorijas, kas apraksta matērijas pamatstruktūru, izmantojot elegantu vienādojumu kopu. Saskaņā ar šo modeli elementārdaļiņas, tas ir, tās, kuras nevar sadalīt mazākās daļās, ir Visuma celtniecības bloki.
Viena no šīm daļiņām ir kvarks. Zinātnieki nepieņem, ka pastāv kaut kas mazāks, taču viņi joprojām meklē. Ir 6 kvarku veidi vai šķirnes. Savedīsim tos kārtībāmasas pieaugums:
- top;
- zemāks;
- dīvaini;
- apburts;
- burvīgs;
- true.
Dažādās kombinācijās tie veido daudz dažādu veidu subatomiskas daļiņas. Piemēram, protoni un neitroni - lielas atoma kodola daļiņas - katrs sastāv no trim kvarkiem. Augšējie divi un apakšējie veido protonu. Augšējais un divi apakšējie veido neitronu. Mainot kvarka veidu, protons var pārvērsties par neitronu, tādējādi pārvēršot vienu elementu par citu.
Cits elementārdaļiņu veids ir bozons. Šīs daļiņas ir mijiedarbības nesēji, kas sastāv no enerģijas stariem. Fotoni ir viena veida bozons, bet gluoni ir cits. Katrs no šiem četriem spēkiem ir mijiedarbības nesēju apmaiņas rezultāts. Spēcīgo mijiedarbību veic gluons, bet elektromagnētisko mijiedarbību - fotons. Teorētiski gravitons ir gravitācijas nesējs, taču tas nav atrasts.
W- un Z-bosons
Vāju mijiedarbību veic W un Z bozoni. Šīs daļiņas prognozēja Nobela prēmijas laureāti Stīvens Veinbergs, Šeldons Salams un Abduss Glešovs 1960. gados, un tās atklāja 1983. gadā Eiropas Kodolpētniecības organizācijā CERN.
W-bozoni ir elektriski uzlādēti un apzīmēti ar simboliem W+ (pozitīvi uzlādēts) un W- (negatīvi uzlādēts). W-bozons maina daļiņu sastāvu. Izstarojot elektriski lādētu W bozonu, vājais spēks maina kvarka veidu, veidojot protonuneitronā vai otrādi. Tas izraisa kodolsintēzi un liek zvaigznēm degt.
Šī reakcija rada smagākus elementus, kurus supernovas sprādzieni galu galā izmet kosmosā, lai kļūtu par planētu, augu, cilvēku un visa pārējā uz Zemes celtniecības blokiem.
Neitrāla strāva
Z-bozons ir neitrāls un nes vāju neitrālu strāvu. Tā mijiedarbību ar daļiņām ir grūti noteikt. Eksperimentālie W- un Z-bozonu meklējumi 1960. gados noveda zinātniekus pie teorijas, kas apvieno elektromagnētiskos un vājos spēkus vienā "elektropēks". Tomēr teorija prasīja, lai nesējdaļiņas būtu bezsvara, un zinātnieki zināja, ka teorētiski W bozonam būs jābūt smagam, lai izskaidrotu tā īso darbības rādiusu. Teorētiķi ir piedēvējuši masu W neredzamam mehānismam, ko sauc par Higsa mehānismu, kas nodrošina Higsa bozona esamību.
2012. gadā CERN ziņoja, ka zinātnieki, izmantojot pasaulē lielāko paātrinātāju Lielo hadronu paātrinātāju, ir novērojuši jaunu daļiņu, "kas atbilst Higsa bozonam".
Beta sabrukšana
Vāja mijiedarbība izpaužas β-sabrukšanā – procesā, kurā protons pārvēršas par neitronu un otrādi. Tas notiek, kad kodolā, kurā ir pārāk daudz neitronu vai protonu, viens no tiem tiek pārveidots par citu.
Beta sabrukšana var notikt vienā no diviem veidiem:
- Mīnus-beta samazināšanās, dažreiz raksta kāβ− -sabrukums, neitrons sadalās protonā, antineitrīnā un elektronā.
- Vāja mijiedarbība izpaužas atomu kodolu sabrukšanā, ko dažkārt raksta kā β+-sabrukšanu, kad protons sadalās neitronā, neitrīnos un pozitronā.
Viens no elementiem var pārvērsties par citu, kad viens no tā neitroniem mīnus-beta sabrukšanas rezultātā spontāni pārvēršas par protonu vai kad viens no tā protoniem spontāni pārvēršas par neitronu caur β+-sabrukums.
Dubultā beta sabrukšana notiek, kad 2 protoni kodolā vienlaikus tiek pārveidoti 2 neitronos vai otrādi, kā rezultātā izdalās 2 elektronu antineitroni un 2 beta daļiņas. Hipotētiskā bez neitrīno dubultā beta sabrukšanas gadījumā neitrīno netiek ražoti.
Elektroniskā tveršana
Protons var pārvērsties par neitronu, izmantojot procesu, ko sauc par elektronu uztveršanu vai K-tveršanu. Kad kodolā ir pārmērīgs protonu skaits attiecībā pret neitronu skaitu, elektrons, kā likums, no iekšējā elektronu apvalka iekrīt kodolā. Orbitāles elektronu uztver mātes kodols, kura produkti ir meitas kodols un neitrīno. Iegūtā meitas kodola atomu skaits samazinās par 1, bet kopējais protonu un neitronu skaits paliek nemainīgs.
Kodolsintēzes reakcija
Vājš spēks ir iesaistīts kodolsintēzē, reakcijā, kas darbina sauli un kodolsintēzes (ūdeņraža) bumbas.
Pirmais solis ūdeņraža saplūšanā ir divu sadursmeprotoni ar pietiekamu spēku, lai pārvarētu savstarpējo atgrūšanos, ko tie piedzīvo elektromagnētiskās mijiedarbības dēļ.
Ja abas daļiņas ir novietotas tuvu viena otrai, spēcīga mijiedarbība var tās saistīt. Tas rada nestabilu hēlija formu (2He), kurai ir kodols ar diviem protoniem, atšķirībā no stabilās formas (4He), kurā ir divi neitroni un divi protoni.
Nākamais solis ir vājā mijiedarbība. Protonu pārpalikuma dēļ viens no tiem tiek pakļauts beta sabrukšanai. Pēc tam citas reakcijas, tostarp starpproduktu veidošanās un saplūšana 3Viņš, galu galā veido stabilu 4Viņš.
