III. Фундаментальные теории физики

Классическая механика Ньютона. Фундаментальное значение для всей Ф. имело введение Ньютоном понятия состояния. Первоначально оно было сформулировано для простейшей механич. системы- системы материальных точек. Именно для материальных точек непосредственно справедливы законы Ньютона. Во всех последующих физ. теориях понятие состояния было одним из основных. Состояние механич. системы полностью определяется координатами и импульсами всех образующих систему тел. Если известны силы взаимодействия тел, определяющие их ускорения, то по значениям координат и импульсов в начальный момент времени уравнения движения механики Ньютона (второй закон Ньютона) позволяют однозначно установить значения координат и импульсов в любой последующий момент времени. Координаты и импульсы - осн. величины в классич. механике; зная их, можно вычислить значение любой др. механич. величины: энергии, момента количества движения и др. Хотя позднее выяснилось, что ньютоновская механика имеет огранич. область применения, она была и остаётся тем фундаментом, без к-рого построение всего здания совр. Ф. было бы невозможным.

Механика сплошных сред. Газы, жидкости и твёрдые тела в механике сплошных сред рассматриваются как непрерывные однородные среды. Вместо координат и импульсов частиц состояние системы однозначно характеризуется след. ф-циями координат (х, у, z) и времени (t): плотностью р (х, у, z, t), давлением Р (х, у, г, t) и гидродинамич. скоростью v (х, у, z, t), с к-рой переносится масса. Уравнения механики сплошных сред позволяют установить значения этих функций в любой последующий момент времени, если известны их значения в начальный момент и граничные условия.

Эйлера уравнение, связывающее скорость течения жидкости с давлением, вместе с неразрывности уравнением, выражающим сохранение вещества, позволяют решать любые задачи динамики идеальной жидкости. В гидродинамике вязкой жидкости учитывается действие сил трения и влияние теплопроводности, к-рые приводят к диссипации механич. энергии, и механика сплошных сред перестаёт быть " чистой механикой": становятся существенными тепловые процессы. Лишь после создания термодинамики была сформулирована полная система уравнений, описывающая механич. процессы в реальных газообразных, жидких и твёрдых телах. Движение электропроводящих жидкостей и газов исследуется в магнитной гидродинамике. Колебания упругой среды и распространение в ней волн изучаются в акустике.

Термодинамика. Всё содержание термодинамики является в основном следствием двух начал: первого начала - закона сохранения энергии, и второго начала, из к-рого следует необратимость макроскопич. процессов. Эти начала позволяют ввести однозначные функции состояния: внутреннюю энергию и энтропию. В замкнутых системах внутр. энергия остаётся неизменной, а энтропия сохраняется только при равновесных (обратимых) процессах. При необратимых процессах энтропия возрастает, и её рост наиболее полно отражает определённую направленность макроскопич. процессов в природе. В термодинамике осн. величинами, задающими состояние системы, - термодинамическими параметрами - являются в простейшем случае давление, объём и темп-pa. Связь между ними даётся термич. уравнением состояния (а зависимость энергии от объёма и темп-ры - калорич. уравнением состояния). Простейшее термич. уравнение состояния - уравнение состояния идеального газа (Клапейрона уравнение).

В классич. термодинамике изучают состояния теплового равновесия и равновесные (протекающие бесконечно медленно) процессы. Время не входит в осн. уравнения. Впоследствии (начиная с 30-х гг. 20 в.) была создана термодинамика неравновесных процессов. В этой теории состояние определяется через плотность, давление, темп-ру, энтропию и др. величины, (локальные термодинамич. параметры), рассматриваемые как функции координат и времени. Для них записываются уравнения переноса массы, энергии, импульса, описывающие эволюцию состояния системы с течением времени (уравнения диффузии и теплопроводности, Навье- Стокса уравнения). Эти уравнения выражают локальные (т. е. справедливые для данного бесконечно малого элемента объёма) законы сохранения указанных физ. величин.

Статистическая физика (статистическая механика). В классич. статистич. механике вместо задания координат r _i и импульсов р_i частиц системы задаётся функция распределения частиц по координатам и импульсам, f (r₁, p₁,..., r_N, p_N, t), имеющая смысл плотности вероятности обнаружения наблюдаемых значений координат и импульсов в определённых малых интервалах в данный момент времени t (N - число частиц в системе). Функция распределения f удовлетворяет уравнению движения (уравнению Лиувилля), имеющему вид уравнения непрерывности в пространстве всех r_i и p_i (т. е. в фазовом пространстве). Уравнение Лиувилля однозначно определяет f в любой последующий момент времени по заданному её значению в начальный момент, если известна энергия взаимодействия между частицами системы. Функция распределения позволяет вычислить ср. значения плотностей вещества, энергии, импульса и их потоков, а также отклонения их от ср. значений - флуктуации. Уравнение, описывающее эволюцию функции распределения для газа, было впервые получено Больцманом (1872) и наз. кинетическим уравнением Больцмана.

Гиббс получил выражение для функции распределения произвольной системы, находящейся в равновесии с термостатом (каноническое Гиббса распределение). Эта функция распределения позволяет по известному выражению энергии как функции координат и импульсов частиц (функции Гамильтона) вычислить все потенциалы термодинамические, что является предметом статистич. термодинамики.

Процессы, возникающие в системах, выведенных из состояния термодинамич. равновесия, необратимы и изучаются в статистич. теории неравновесных процессов (эта теория вместе с термодинамикой неравновесных процессов образует кинетику физическую). В принципе, если функция распределения известна, можно определить любые макроскопич. величины, характеризующие систему в неравновесном состоянии, и проследить за их изменением в пространстве с течением времени.

Для вычисления физ. величин, характеризующих систему (средние плотности числа частиц, энергии и импульса), не требуется знания полной функции распределения. Достаточно более простых функций распределения: одночастичных, дающих ср. число частиц с данными значениями координат и импульсов, и двухчастичных, определяющих взаимное влияние (корреляцию) двух частиц. Общий метод получения уравнений для таких функций был разработан (в 40-х гг. 20 в.) Боголюбовым, Борном, Г. Грином (англ. физик) и др. Уравнения для одночастичной функции распределения, построение к-рых возможно для газов малой плотности, наз. кинетическими. К их числу относится кинетич. уравнение Больцмана. Разновидности уравнения Больцмана для ионизованного газа (плазмы) - кинетич. уравнения Ландау и А. А. Власова (30-40-е гг. 20 в.).

В последние десятилетия всё большее значение приобретает исследование плазмы. В этой среде осн. роль играют электромагнитные взаимодействия заряженных частиц, и лишь статистич. теория, как правило, способна дать ответ на различные вопросы, связанные с поведением плазмы. В частности, она позволяет исследовать устойчивость высокотемпературной плазмы во внешнем электромагнитном поле. Эта задача чрезвычайно актуальна в связи с проблемой управляемого термоядерного синтеза.

Электродинамика. Состояние электромагнитного поля в теории Максвелла характеризуется двумя осн. векторами: напряжённостью электрич. поля Е и магнитной индукцией В, являющимися функциями координат и времени. Электромагнитные свойства вещества задаются тремя величинами: диэлектрической проницаемостью Е, магнитной проницаемостью р. и уд. электропроводностью а, к-рые должны быть определены экспериментально. Для векторов Е и В и связанных с ними вспомогат. векторов электрич. индукции D и напряжённости магнитного поля Н записывается система линейных диф-ференц. уравнений с частными производными - Максвелла уравнения. Эти уравнения описывают эволюцию электромагнитного поля. По значениям характеристик поля в начальный момент времени внутри нек-рого объёма и по граничным условиям на поверхности этого объёма можно найти Е к В в любой последующий момент времени. Эти векторы определяют силу, действующую на заряженную частицу, движущуюся с определённой скоростью в электромагнитном поле (Лоренца силу).

Основатель электронной теории Лоренц сформулировал уравнения, описывающие элементарные электромагнитные процессы. Эти уравнения, называемые Лоренца-Максвелла уравнениями, связывают движение отд. заряженных частиц с создаваемым ими электромагнитным полем.

Опираясь на представления о дискретности электрич. зарядов и уравнения для элементарных электромагнитных процессов, можно распространить методы статистич. механики на электромагнитные процессы в веществе. Электронная теория позволила вскрыть физ. смысл электромагнитных характеристик вещества е, м, с и дала возможность рассчитывать значения этих величин в зависимости от частоты, темп-ры, давления и т. д.

Частная (специальная) теория относительности. Релятивистская механика. В основе частной теории относительности-физ. теории о пространстве и времени при отсутствии полей тяготения - лежат два постулата: принцип относительности и независимость скорости света от движения источника. Согласно принципу относительности Эйнштейна, любые физ. явления-механические, оптические, тепловые и т. д.- во всех инерциальных системах отсчёта при одинаковых условиях протекают одинаково. Это означает, что равномерное и прямолинейное движение системы не влияет на ход процессов в ней. Все инерциальные системы отсчёта равноправны (не существует выделенной, " абсолютно покоящейся" системы отсчёта, как не существует абсолютных пространства и времени). Поэтому скорость света в вакууме во всех инерциальных системах отсчёта одинакова. Из этих двух постулатов вытекают преобразования координат и времени при переходе от одной инерциальной системы к другой - Лоренца преобразования. Из преобразований Лоренца получаются осн. эффекты частной теории относительности: существование предельной скорости, совпадающей со скоростью света в вакууме с (любое тело не может двигаться со скоростью, превышающей с, и с является макс. скоростью передачи любых взаимодействий); относительность одновременности (события, одновременные в одной инерциальной системе отсчёта, в общем случае не одновременны в другой); замедление течения времени и сокращение продольных -в направлении движения- размеров тела (все физ. процессы в теле, движущемся со скоростью v относительно нек-рой инерциальной системы отсчёта,

[ris]

чем те же процессы в данной инерциальной системе, и во столько же раз уменьшаются продольные размеры тела). Из равноправия всех инерциальных систем отсчёта следует, что эффекты замедления времени и сокращения размеров тел являются не абсолютными, а относительными, зависящими от системы отсчёта.

Законы механики Ньютона перестают быть справедливыми при больших (сравнимых со скоростью света) скоростях движения. Сразу же после создания теории относительности были найдены релятивистские уравнения движения, обобщающие уравнения движения механики Ньютона. Эти уравнения пригодны для описания движения частиц со скоростями, близкими к скорости света. Исключительно важное значение для Ф. получили два следствия релятивистской механики: зависимость массы частицы от скорости и универсальная связь между энергией и массой (см. Относительности теория).

При больших скоростях движения любая физ. теория должна удовлетворять требованиям теории относительности, т. е. быть релятивистски-инвариантной. Законы теории относительности определяют преобразования при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой не только координат и времени, но и любой физ. величины. Эта теория вытекает из принципов инвариантности, или симметрии в Ф. (см. Симметрия в физике).

Общая теория относительности (т е о-рия тяготения). Из четырёх типов фундаментальных взаимодействий - гравитационных, электромагнитных, сильных и слабых - первыми были открыты гравитац. взаимодействия, или силы тяготения. На протяжении более двухсот лет никаких изменений в основы теории гравитации, сформулированной Ньютоном, внесено не было. Почти все следствия теории находились в полном согласии с опытом.

Во 2-м десятилетии 20 в. классич. теория тяготения была революц. образом преобразована Эйнштейном. Теория тяготения Эйнштейна, в отличие от всех прочих теорий, была создана без стимулирующей роли новых экспериментов, путём логич. развития принципа относительности применительно к гравитац. взаимодействиям, и получила название общей теории относительности. Эйнштейн по-новому интерпретировал установленный ещё Галилеем факт равенства гравитационной и инертной масс (см. Масса). Это равенство означает, что тяготение одинаковым образом искривляет пути всех тел. Поэтому тяготение можно рассматривать как искривление самого пространства-времени. Теория Эйнштейна вскрыла глубокую связь между геометрией пространства-времени и распределением и движением масс. Компоненты т. н. метрич. тензора, характеризующие метрику пространства-времени, одновременно являются потенциалами гравитац. поля, т. е. определяют состояние гравитац. поля. Гравитац. поле описывается нелинейными ур-ниями Эйнштейна. В приближении слабых полей из них вытекает существование гравитац. волн, пока не обнаруженных экспериментально (см. Гравитационное излучение).

Гравитац. силы - самые слабые из фундамент. сил в природе. Для протонов они примерно в 10³⁶ раз слабее электромагнитных. В совр. теории элементарных частиц гравитац. силы не учитываются, т.к. полагают, что они не играют заметной роли. Роль гравитац. сил становится решающей при взаимодействиях тел космич. размеров; они определяют также структуру и эволюцию Вселенной.

Теория тяготения Эйнштейна привела к новым представлениям об эволюции Вселенной. В сер. 20-х гг. А. А. Фридман нашёл нестационарное решение уравнений гравитац. поля, соответствующее расширяющейся Вселенной. Этот вывод был подтверждён наблюдениями Э. Хаббла, открывшего закон красного смещения для галактик (означающий, что расстояния между любыми галактиками увеличиваются с течением времени). Др. пример предсказания теории - возможность не-огранич. сжатия звёзд достаточно большой массы (больше 2-3 солнечных масс) с образованием т. н. " чёрных дыр". Имеются определённые указания (наблюдения за двойными звёздами - дискретными источниками рентгеновских лучей) на существование подобных объектов.

Общая теория относительности, как и квантовая механика, - великие теории 20 в. Все предшествующие теории, включая спец. теорию относительности, обычно относят к классич. Ф. (иногда классич. Ф. называют всю неквантовую Ф.).

Квантовая механика. Состояние микрообъекта в квантовой механике характеризуется волновой функцией ф. Волновая функция имеет статистич. смысл (Борн, 1926): она представляет собой амплитуду вероятности, т. е. квадрат её модуля, |ф|², есть плотность вероятности нахождения частицы в данном состоянии. В координатном представлении ф = ф (х, у, z, t) и величина |ф|² dxdydz определяет вероятность того, что координаты частицы в момент времени t лежат внутри малого объёма dxdydz около точки с координатами х, у, z. Эволюция состояния квантовой системы однозначно определяется с помощью Шрёдингера уравнения.

Волновая функция даёт полную характеристику состояния. Зная ф, можно вычислить вероятность определённого значения любой относящейся к частице (или системе частиц) физ. величины и ср. значения всех этих физ. величин. Статистич. распределения по координатам и импульсам не являются независимыми, из чего следует, что координата и импульс частицы не могут иметь одновременно точных значений (принцип неопределённости Гейзенберга); их разбросы связаны неопределённостей соотношением. Соотношение неопределённостей имеет место также для энергии и времени.

В квантовой механике момент импульса, его проекция, а также энергия при движении в огранич. области пространства могут принимать лишь ряд дискретных значений. Возможные значения физ. величин являются собственными значениями операторов, к-рые в квантовой механике ставятся в соответствие каждой физ. величине. Физ. величина принимает определённое значение с вероятностью, равной единице, лишь в том случае, если система находится в состоянии, изображаемом собственной функцией соответств. оператора.

Квантовая механика Шрёдингера-Гейзенберга не удовлетворяет требованиям теории относительности, т. е. является нерелятивистской. Она применима для описания движения элементарных частиц и слагающих их систем со скоростями, много меньшими скорости света.

С помощью квантовой механики была построена теория атомов, объяснена химическая связь, в т. ч. понята природа ковалентной хим. связи; при этом было открыто существование специфического обменного взаимодействия - чисто квантового эффекта, не имеющего аналога в классич. Ф. Обменная энергия играет гл. роль в образовании ковалентной связи как в молекулах, так и в кристаллах, а также в явлениях ферромагнетизма и антиферромагнетизма. Эта энергия имеет важное значение во внутриядерных взаимодействиях.

Такие ядерные процессы, как а-распад, удалось объяснить только с помощью квантового эффекта прохождения частиц сквозь потенциальный барьер (см. Туннельный эффект).

Была построена квантовая теория рассеяния (см. Рассеяние микрочастиц), приводящая к существенно другим результатам, чем классич. теория рассеяния. В частности, оказалось, что при столкновениях медленных нейтронов с ядрами поперечное сечение взаимодействия в сотни раз превышает поперечные размеры сталкивающихся частиц. Это имеет исключительно важное значение для ядерной энергетики.

На основе квантовой механики была построена зонная теория твёрдого тела.

Из квантовой теории вынужденного излучения, созданной Эйнштейном ещё в 1917, в 50-х гг. возник новый раздел радиофизики: были осуществлены генерация и усиление электромагнитных волн с помощью квантовых систем. Н. Г. Басов, А. М. Прохоров и независимо Ч. Таунс создали микроволновой квантовый генератор (мазер), в котором использовалось вынужденное излучение возбуждённых молекул. В 60-х гг. был создан лазер- квантовый генератор электромагнитных волн в видимом диапазоне длин волн (см. Квантовая электроника).

Квантовая статистика. Подобно тому, как на основе классич. законов движения отд. частиц была построена теория поведения большой их совокупности - классич. статистика, на основе квантовых законов движения частиц была построена квантовая статистика. Последняя описывает поведение макроскопич. объектов в том случае, когда классич. механика неприменима для описания движения слагающих их частиц. В этом случае квантовые свойства микрообъектов отчётливо проявляются в свойствах макроскопич. тел.

Математич. аппарат квантовой статистики существенно отличается от аппарата классич. статистики, т. к., как говорилось выше, нек-рые физ. величины в квантовой механике могут принимать дискретные значения. Но содержание самой статистич. теории равновесных состояний не претерпело глубоких изменений. В квантовой статистике, как и вообще в квантовой теории систем многих частиц, важную роль играет принцип тождественности одинаковых частиц (см. Тождественности принцип). В классич. статистике принимается, что перестановка двух одинаковых (тождественных) частиц меняет состояние. В квантовой статистике состояние системы не меняется при такой перестановке. Если частицы (или квазичастицы) имеют целый спин (они наз. бозонами), то в одном и том же квантовом состоянии может находиться любое число частиц. Системы таких частиц описываются Бозе-Эйнштейна статистикой. Для любых частиц (квазичастиц) с полуцелым спином (фермионов) справедлив принцип Паули, и системы этих частиц описываются Ферми-Дирака статистикой.

Квантовая статистика позволила обосновать теорему Нернста (третье начало термодинамики) - стремление энтропии к нулю при абс. темп-ре Т -> 0.

Квантовая статистич. теория равновесных процессов построена в столь же законченной форме, как и классическая. Заложены также основы квантовой статистич. теории неравновесных процессов. Уравнение, описывающее неравновесные процессы в квантовой системе и называемое основным кинетич. уравнением, позволяет в принципе проследить за изменением во времени вероятности распределения по квантовым состояниям системы.

Квантовая теория поля (КТП). Следующий этап в развитии квантовой теории - распространение квантовых принципов на системы с бесконечным числом степеней свободы (поля физические) и описание процессов рождения и превращения частиц - привёл к КТП, наиболее полно отражающей фундаментальное свойство природы - корпускулярно-волновой дуализм.

В КТП частицы описываются с помощью квантованных полей, представляющих собой совокупность операторов рождения и поглощения частиц в различных квантовых состояниях. Взаимодействие квантованных полей приводит к различным процессам испускания, поглощения и превращения частиц. Любой процесс в КТП рассматривается как уничтожение одних частиц в определённых состояниях и появление других в новых состояниях.

Первоначально КТП была построена применительно к взаимодействию электронов, позитронов и фотонов (квантовая электродинамика). Взаимодействие между заряженными частицами, согласно квантовой электродинамике, осуществляется путём обмена фотонами, причём электрич. заряд е частицы представляет константу, характеризующую связь поля заряженных частиц с электромагнитным полем (полем фотонов).

Идеи, положенные в основу квантовой электродинамики, были в 1934 использованы Э. Ферми для описания процессов бета-распада радиоактивных атомных ядер с помощью нового типа взаимодействия (к-рый, как выяснилось впоследствии, представляет собой частный случай т.н. слабых взаимодействий). В процессах электронного бета-распада один из нейтронов ядра превращается в протон и одновременно происходит испускание электрона и электронного антинейтрино. Согласно КТП, такой процесс можно представить как результат контактного взаимодействия (взаимодействия в одной точке) квантованных полей, соответствующих четырём частицам со спином 1/2: протону, нейтрону, электрону и антинейтрино (т. е. четырёхфермионным взаимодействием).

Дальнейшим плодотворным применением идей КТП явилась гипотеза X.

Юкавы (1935) о существовании взаимодействия между полем нуклонов (протонов и нейтронов) и полем мезонов (в то время ещё не обнаруженных экспериментально). Ядерные силы между нуклонами, согласно этой гипотезе, возникают в результате обмена нуклонов мезонами, а короткодействующий характер ядерных сил объясняется наличием у мезонов сравнительно большой массы покоя. Мезоны с предсказанными свойствами (пимезоны) были обнаружены в 1947, а взаимодействие их с нуклонами оказалось частным проявлением сильных взаимодействий.

КТП является, т. о., основой для описания элементарных взаимодействий, существующих в природе: электромагнитных, сильных и слабых. Наряду с этим методы КТП нашли широкое применение и в теории твёрдого тела, плазмы, атомного ядра, поскольку мн. процессы в этих средах связаны с испусканием и поглощением различного рода элементарных возбуждений - квазичастиц (фононов, спиновых волн и др.).

Из-за бесконечного числа степеней свободы у поля взаимодействие частиц - квантов поля - приводит к математич. трудностям, к-рые до сих пор не удалось полностью преодолеть. Однако в теории электромагнитных взаимодействий любую задачу можно решить приближённо, т. к. взаимодействие можно рассматривать как малое возмущение свободного состояния частиц (вследствие малости безразмерной константы а = e²/hc=1/137, характеризующей интенсивность электромагнитных взаимодействий). Теория всех эффектов в квантовой электродинамике находится в полном согласии с опытом. Тем не менее положение в этой теории нельзя считать благополучным, т. к. для нек-рых физ. величин (массы, электрич. заряда) при вычислениях по теории возмущений получаются бесконечные выражения (расходимости). Их исключают, используя т. н. технику перенормировок, заключающуюся в том, что бесконечно большие величины для массы и заряда частицы заменяются их наблюдаемыми значениями. Большой вклад в разработку квантовой электродинамики внесли (в кон. 40-х гг.) С. Томонага, Р.

Фейнман, Ю. Швингер.

Разработанные в квантовой электродинамике методы в дальнейшем пытались применить для расчёта процессов слабого и сильного (ядерного) взаимодействий, однако здесь встретился ряд проблем.

Слабые взаимодействия присущи всем элементарным частицам, кроме фотона. Они проявляются в распадах большинства элементарных частиц и в нек-рых других их превращениях. Константа слабых взаимодействий, определяющая интенсивность протекания вызванных ими процессов, растет с увеличением энергии частиц.

После экспериментально установленного факта несохранения пространств. чётности в процессах слабого взаимодействия (1956) была предложена т. н. универсальная теория слабых взаимодействий, близкая к фермиевской теории в-распада. Однако, в отличие от квантовой электродинамики, эта теория не позволяла вычислять поправки в высших порядках теории возмущений, т. с. теория оказалась неперенормируемой. В кон. 60-х гг. сделаны попытки построения перенормируемой теории слабых взаимодействий. Успех был достигнут на основе т.н. калибровочных теорий. Была создана объединённая модель слабых и электромагнитных взаимодействий. В этой модели наряду с фотоном - переносчиком электромагнитных взаимодействий между заряженными частицами, должны существовать переносчики слабых взаимодействий - т. н. промежуточные векторные бозоны. Предполагается, что интенсивность взаимодействий промежуточных бозонов с др. частицами такая же, как и у фотонов. Т. к. радиус слабых взаимодействий очень мал (меньше 10^-15 см), то, согласно законам квантовой теории, масса промежуточных бозонов должна быть очень велика: неск. десятков протонных масс. На опыте эти частицы пока не обнаружены. Должны существовать как заряженные(W^- и W⁺), так и нейтральный (Z°) векторные бозоны. В 1973 экспериментально наблюдались процессы, к-рые, по-видимому, можно объяснить существованием нейтральных промежуточных бозонов. Однако справедливость новой единой теории электромагнитных и слабых взаимодействий нельзя считать доказанной.

Трудности создания теории сильных взаимодействий связаны с тем, что из-за большой константы связи методы теории возмущений оказываются здесь неприменимыми. Вследствие этого, а также в связи с наличием огромного экспериментального материала, нуждающегося в теоретич. обобщении, в теории сильных взаимодействий развиваются методы, основанные на общих принципах квантовой теории поля- релятивистской инвариантности, локальности взаимодействия (означающей выполнение условия причинности; см. Причинности принцип) и др. К ним относятся метод дисперсионных соотношений и аксиоматич. метод (см. Квантовая теория поля). Аксиоматич. подход является наиболее фундаментальным, но пока не обеспечивает достаточного количества конкретных результатов, допускающих экспериментальную проверку. Наибольшие практич. успехи в теории сильных взаимодействий получены благодаря применению принципов симметрии.

Делаются попытки построить единую теорию слабых, электромагнитных и сильных взаимодействий (по типу калибровочных теорий).

Принципы симметрии и законы сохранения. Физ. теории позволяют по начальному состоянию объекта определить его поведение в будущем. Принципы симметрии (или инвариантности) носят общий характер, им подчинены все физ. теории. Симметрия законов Ф. относительно нек-рого преобразования означает, что эти законы не меняются при проведении данного преобразования. Поэтому принципы симметрии можно установить на основании известных физ. законов. С др. стороны, если теория к.-л. физ. явлений ещё не создана, открытые на опыте симметрии играют эвристич. роль при построении теории. Отсюда особая важность экспериментально установленных симметрии сильно взаимодействующих элементарных частиц - адронов, теория к-рых, как уже говорилось, не построена.

Существуют общие симметрии, справедливые для всех физ. законов, для всех видов взаимодействий, и приближённые симметрии, справедливые лишь для определённого круга взаимодействий или даже одного вида взаимодействия. Т. о., наблюдается иерархия принципов симметрии. Симметрии делятся на пространственно-временные, или геометрические, и внутренние симметрии, описывающие специфич. свойства элементарных частиц. С симметриями связаны законы сохранения. Для непрерывных преобразонаний эта связь была установлена в 1918 Э. Нётер на основе самых общих предположений о математич. аппарате теории (см. Нётер теорема, Сохранения законы).

Справедливыми для всех типов взаимодействий являются симметрии законов Ф.

относительно следующих непрерывных пространственно-временных преобразований: сдвига и поворота физ. системы как целого в пространстве, сдвига во времени (изменения начала отсчёта времени). Инвариантность (неизменность) всех физ. законов относительно этих преобразований отражает соответственно однородность и изотропию пространства и однородность времени. С этими симметриями связаны (соответственно) законы сохранения импульса, момента количества движения и энергии. К общим симметриям относятся также инвариантность по отношению к преобразованиям Лоренца и калибровочным преобразованиям (1-го рода)- умножению волновой функции на т. н. фазовый множитель, не меняющий квадрата её модуля (последняя симметрия связана с законами сохранения электрического, барионного и лептонного зарядов), и нек-рые другие.

Существуют также симметрии, отвечающие дискретным преобразованиям: изменению знака времени (см. Обращение времени), пространственной инверсии (т. н. зеркальная симметрия природы), зарядовому сопряжению. На основе приближённой SU (З)-симметрии (см. Сильные взаимодействия) М. Гелл-Ман (1962) создал систематику адронов, позволившую предсказать существование неск. элементарных частиц, открытых позднее экспериментально.

Систематику адронов можно объяснить, если предположить, что все адроны " построены" из небольшого числа (в наиболее распространённом варианте - из трёх) фундаментальных частиц - кварков и соответствующих античастиц - антикварков. Существуют различные кварковые модели адронов, однако экспериментально обнаружить свободные кварки пока не удалось. В 1975-76 были открыты две новые сильно взаимодействующие частицы (ф₁ и ф₂) с массами, превышающими утроенную массу протона, и временами жизни 10^-20 - 10^-21 сек. Объяснение особенностей рождения и распада этих частиц, по-видимому, требует введения дополнительного, четвёртого, кварка, к-рому приписывается квантовое число " очарование". Помимо этого, по совр. представлениям, каждый кварк существует в трёх разновидностях, отличающихся особой характеристикой - " цветом".

Успехи в классификации адронов на основе принципов симметрии очень велики, хотя причины возникновения этих симметрии до конца не ясны; возможно, они действительно обусловлены существованием и свойствами кварков.