один из четырёх типов известных фундаментальных взаимодействий между элементарными частицами (три других типа — электромагнитное, гравитационное и сильное). С. в. гораздо слабее не только сильного, но и электромагнитного взаимодействий, но гораздо сильнее гравитационного.
О силе взаимодействия можно судить по скорости процессов, которые оно вызывает. Обычно сравнивают между собой скорости процессов при энергиях порядка 108—109 эв, которые являются характерными для физики элементарных частиц, т. к. именно такого порядка массы (выраженные в энергетических единицах) большинства элементарных частиц (например, масса π-мезона 1,4․108 эв, масса протона 9,4․108 эв). При таких энергиях процесс, обусловленный сильным взаимодействием, происходит за время Слабые взаимодействия 10-24 сек; за это время сильно взаимодействующая частица (адрон (См. Адроны)), движущаяся со скоростью порядка скорости света (3․1010см/сек), пролетает расстояние порядка своих размеров (Слабые взаимодействия 10-13 см). Электромагнитный процесс в этих же условиях длится примерно 10-21 сек. Характерное же время процессов, происходящих за счёт С. в. («слабых процессов»), гораздо больше: Слабые взаимодействия 10-10 сек. Так что в мире элементарных частиц слабые процессы протекают чрезвычайно медленно.
Другая характеристика взаимодействия — длина свободного пробега частицы в веществе. Сильно взаимодействующие частицы обычно задерживаются железной плитой толщиной в несколько десятков см. Нейтрино же, обладающее лишь С. в., проходило бы, не испытав ни одного столкновения, через железную плиту толщиной порядка миллиарда км. Ещё более слабым является гравитационное взаимодействие, сила которого при энергии 109 эв в 1033 раз (на 33 порядка) меньше, чем у С. в. Однако в повседневной жизни роль гравитационного взаимодействия гораздо заметней роли С. в. Это связано с тем, что гравитационное взаимодействие, так же как электромагнитное, имеет бесконечно большой радиус действия; поэтому, например, на тела, находящиеся на поверхности Земли, действует гравитационное притяжение со стороны всех атомов, из которых состоит Земля. Слабое же взаимодействие обладает настолько малым радиусом действия, что величина этого радиуса до сих пор не измерена: она наверняка меньше 10-14 см, а возможно, и 10-15см, что на два порядка меньше радиуса сильного взаимодействия. Вследствие этого, например, С. в. между ядрами двух соседних атомов, находящихся на расстоянии 10-8см, совершенно ничтожно.
Однако, несмотря на малую величину и короткодействие, С. в. играет очень важную роль в природе. Так, если бы удалось «выключить» С. в., то погасло бы Солнце, т. к. был бы невозможен процесс превращения протона (р) в нейтрон (n), позитрон (е+) и нейтрино (ν). Именно в результате этого процесса происходит «выгорание» водорода на Солнце и четыре протона превращаются в ядро гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов. Этот процесс служит источником энергии как Солнца, так и большинства звёзд. Процессы С. в. с испусканием нейтрино, по-видимому, вообще играют исключительно важную роль в эволюции звёзд, обусловливая потери энергии очень горячими звёздами, механизмы, взрывов сверхновых звёзд (См. Сверхновые звёзды) с образованием пульсаров (См. Пульсары) и т. д. Ещё один пример: если бы не было С. в., то были оы стабильны и широко распространены в обычном веществе Мюоны (μ) и π-мезоны, а также Странные частицы, которые, как известно, под действием С. в. распадаются за миллионные — миллиардные доли сек на обычные (нестранные) частицы.
Столь большая роль С. в. связана с тем, что С. в. не подчиняется ряду запретов, которым подчиняются сильное и электромагнитное взаимодействия. В отличие от сильного и электромагнитного взаимодействий, С. в. нарушает закон сохранения странности (См. Странность). Нарушает С. в. и др. фундаментальную симметрию природы — зеркальную (см. Пространственная инверсия), в слабых распадах максимально нарушается закон сохранения пространственной чётности (См. Чётность) и зарядовой чётности (см. Зарядовое сопряжение). В обусловленных С. в. процессах распада долгоживущих нейтральных К-мезонов (См. Мезоны) на десятые доли процента происходит нарушение сохранения т. н. комбинированной чётности (см. Комбинированная инверсия) и временной обратимости микропроцессов (т. н. Т-инвариантности; см. Обращение времени). (Подробнее см. ниже.)
Интенсивности слабых процессов быстро растут с ростом энергии. Так, например, Бета-распад нейтрона, энерговыделение в котором мало (Слабые взаимодействия 1 Мэв) по сравнению с энергиями порядка энергии покоя адронов, длится около 103 сек., что на 13 порядков больше, чем время жизни Λ-гиперона (См. Гипероны). Сечение взаимодействия с нуклонами (протонами и нейтронами) для нейтрино, имеющих энергии Слабые взаимодействия 100 Гэв, примерно в миллион раз больше, чем для нейтрино с энергией Слабые взаимодействия 1 Мэв. Вплоть до каких энергий продлится рост сечения с энергией, пока не ясно. Возможно, он не прекратится до энергий Слабые взаимодействия1000 Гэв в системе центра масс сталкивающихся частиц. Возможно, однако, что этот рост остановится при гораздо меньших энергиях.
Наиболее распространённый процесс, обусловленный С. в., — (β-распад радиоактивных атомных ядер. Явление радиоактивности (См. Радиоактивность) было обнаружено в 1896 А. А. Беккерелем (См. Беккерель). В течение первой трети 20 в. экспериментально исследовались энергетические спектры β-радиоактивных ядер (Э. Резерфорд, Дж. Чедвик, Л. Майтнер). Результатом этого исследования явилась гипотеза (1931, В. Паули) о том, что в β-распаде наряду с электроном (е-) испускается ещё одна лёгкая частица, получившая позднее название нейтрино. И хотя экспериментально свободное нейтрино было обнаружено лишь в 1956, уже в 1934, исходя из гипотезы Паули, Э. Ферми построил теорию (β-распада, которая (с некоторыми модификациями) лежит в основе современной теории С. в.
Согласно теории Ферми, электрон и нейтрино (более точно: антинейтрино), вылетающие из (β-радиоактивного ядра, не находились в нём до этого, а возникают в момент распада. Это явление аналогично испусканию фотонов низкой энергии (видимого света) возбуждёнными атомами или фотонов высокой энергии (γ-квантов) возбуждёнными ядрами. Как известно, свет испускается электроном при переходе с одного атомного уровня на другой, более низкий. Аналогично γ-кванты испускаются нуклонами, переходящими с более высоких, возбуждённых уровней в ядре на более низкие. Первичной причиной этих процессов является взаимодействие электрических зарядов с электромагнитным полем: движущаяся заряженная частица — электрон или протон — возмущает электромагнитное поле, причём энергия частицы передаётся квантам поля — фотонам. Движущийся заряд создаёт электромагнитный ток, и обычно говорят о взаимодействии фотонов с электромагнитным током. В квантовой электродинамике взаимодействие электрона с фотоном описывается выражением типа
Здесь е — элементарный электрический заряд, являющийся константой электромагнитного взаимодействия (безразмерной константой, характеризующей интенсивность протекания электромагнитных процессов, является величина 
1/137, где ħ — постоянная Планка, с — скорость света), ψ — оператор уничтожения электрона, находящегося в исходном состоянии, 
А — оператор рождения фотона. Т. о., вместо исходного электрона возникают две частицы: электрон, находящийся в другом состоянии (с меньшей энергией), и фотон.
1/137, где ħ — постоянная Планка, с — скорость света), ψ — оператор уничтожения электрона, находящегося в исходном состоянии, А — оператор рождения фотона. Т. о., вместо исходного электрона возникают две частицы: электрон, находящийся в другом состоянии (с меньшей энергией), и фотон. Более точно взаимодействие электрона с фотоном описывается выражением
(1) Индекс μ в величине Аμ принимает четыре значения: μ = 0, 1, 2,3 и указывает, что величина Аμ преобразуется как четырёхмерный вектор при Лоренца преобразованиях. [Напомним, что четырёхмерный вектор образуют, например, четырёхмерные координаты частицы хμ (x0 = ct, x1 = х, x2 = у, x3 = z) или её энергия и импульс рμ (po = Е/с, p1 = px, p2 = ру, p3 = pz, где Е — энергия частицы, px, py, pz — компоненты её трёхмерного импульса).] Скалярное произведение двух четырёхмерных векторов определяется следующим образом: хμрμ = xopo — x1p1 — x2p2 — x3p3 (по одинаковым индексам μ производится суммирование.; для краткости знак суммы опускается). Поскольку электромагнитное поле является векторным, то о кванте этого поля — фотоне — говорят как о векторной частице. Величина 
Матрица) γμ (матрицы Дирака) введены для того, чтобы из операторов ψ̅ и ψ, которые являются четырёхмерными Спинорами относительно преобразований Лоренца, сконструировать четырёхмерный вектор — электромагнигный ток.
Матрица) γμ (матрицы Дирака) введены для того, чтобы из операторов ψ̅ и ψ, которые являются четырёхмерными Спинорами относительно преобразований Лоренца, сконструировать четырёхмерный вектор — электромагнигный ток. Уточним теперь смысл операторов ψ̅ и ψ. Они описывают процессы не только с участием частиц (электронов), но и с участием античастиц (См. Античастицы) (позитронов). Оператор ψ уничтожает электрон или рождает позитрон, а оператор ψ̅ рождает электрон или уничтожает позитрон. Оператор А описывает как рождение, так и уничтожение фотонов, поскольку абсолютно нейтральная частица — фотон — сама является своей античастицей. Т. о., взаимодействие 
Фейнмана диаграммы), представленной на рис. 1. При переходе протона в ядре с одного уровня на другой это же взаимодействие может привести к рождению ядром электрон-позитронной пары (рис. 2).
Фейнмана диаграммы), представленной на рис. 1. При переходе протона в ядре с одного уровня на другой это же взаимодействие может привести к рождению ядром электрон-позитронной пары (рис. 2). Теория β-распада Ферми по существу аналогична теории электромагнитных процессов. В основу теории Ферми положил взаимодействие двух «слабых токов», но взаимодействующих между собой не на расстоянии путём обмена частицей — квантом поля (фотоном в случае электромагнитного взаимодействия), а контактно. Это взаимодействие в современых обозначениях имеет вид:
Здесь G — константа Ферми, или константа С. в., экспериментальное значение которой G ≈ 10-49 эрг ․см3; величина 
Mp — масса протона; 
n — оператор уничтожения нейтрона (рождения антинейтрона), 
e̅ɣμν — лептонного (электрон и нейтрино — Лептоны). Ферми постулировал, что, подобно электромагнитному току, слабые токи также являются четырёхмерными векторами. Поэтому фермиевское взаимодействие называется векторным. (Заметим, что первоначальная идея Ферми заключалась в том, что нуклонный ток 
e̅ɣμν — электромагнитному полю Аμ. Однако в написанное им выражение нуклонный и лептонный токи вошли равноправно, и дальнейшее развитие теории всё в большей степени подчёркивало это равноправие.)
Mp — масса протона; n — оператор уничтожения нейтрона (рождения антинейтрона), e̅ɣμν — лептонного (электрон и нейтрино — Лептоны). Ферми постулировал, что, подобно электромагнитному току, слабые токи также являются четырёхмерными векторами. Поэтому фермиевское взаимодействие называется векторным. (Заметим, что первоначальная идея Ферми заключалась в том, что нуклонный ток e̅ɣμν — электромагнитному полю Аμ. Однако в написанное им выражение нуклонный и лептонный токи вошли равноправно, и дальнейшее развитие теории всё в большей степени подчёркивало это равноправие.) Подобно испусканию электрон-позитронной пары, β-распад нейтрона может быть описан похожей диаграммой (рис. 3) [в статье античастицы помечены значком «тильда» (Слабые взаимодействия) над символами соответствующих частиц]. Но из сказанного выше об операторах рождения и уничтожения частиц следует, что взаимодействие лептонного и нуклонного токов должно давать и другие слабые процессы, например реакцию 
рис. 4), аннигиляцию пар 
рис. 5), 
рис. 4), аннигиляцию пар рис. 5),
Существенным отличием слабого тока от электромагнитного является то, что слабый ток меняет заряд частиц, в то время как электромагнитный ток не меняет: слабый ток превращает нейтрон в протон, электрон в нейтрино, а электромагнитный оставляет протон протоном, а электрон электроном. Поэтому слабые токи 
см. ниже.
см. ниже. Следует подчеркнуть, что теория Ферми опиралась на результаты исследований в трёх различных областях: 1) экспериментальные исследования собственно С. в. (β-распад), приведшие к гипотезе о существовании нейтрино; 2) экспериментальные исследования сильного взаимодействия (ядерные реакции), приведшие к открытию протонов и нейтронов и пониманию того, что ядра состоят из этих частиц; 3) экспериментальные и теоретические исследования электромагнитного взаимодействия, в результате которых был заложен фундамент квантовой теории поля.
Дальнейшее (и особенно позднейшее) развитие физики элементарных частиц неоднократно подтверждало плодотворную взаимозависимость исследований сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий.
Вопрос о том, действительно ли слабое β-распадное взаимодействие — векторное, был предметом теоретических и экспериментальных исследований в течение более 20 лет. За эти годы выяснилось, что С. в. ответственно не только за β-распад ядер, но и за медленные распады нестабильных элементарных частиц. После открытия мюонов, π-мезонов, К-мезонов и гиперонов в конце 40 — начале 50-х гг. была сформулирована гипотеза об универсальном характере С. в., ответственного за распады всех этих частиц.
В 1956 при теоретическом исследовании распадов К-мезонов Ли Цзун-дао и Ян Чжэнь-нин (США) выдвинули гипотезу о том, что С. в. не сохраняет чётность; вскоре несохранение чётности было обнаружено экспериментально в β-распаде ядер (Ву Цзянь-сюн и сотрудники, США), в распаде мюона [Р. Гарвин, Л. Ледерман (США) и др.] и в распадах других частиц.
Осенью 1956 Л. Д. Ландау и независимо Ли, Ян, Р. Эме выдвинули гипотезу, согласно которой в С. в. нарушается не только пространственная чётность (Р), но и зарядовая чётность (С), причём таким образом, что сохраняется их произведение — комбинированная чётность (СР-чётность). Инвариантность С. в. относительно комбинированной инверсии, означала бы, что процессы с участием частиц являются «зеркальными» по отношению к процессам с участием соответствующих античастиц. Так, например, угловые распределения электронов (е-) при распаде отрицательных мюонов (μ-) и позитронов (е+) при распаде μ+ выглядят так, как это изображено на рис. 6. Нарушение комбинированной инверсии, хотя и наблюдалось, но только в распадах нейтральных К-мезонов (см. ниже).
Обобщая огромный экспериментальный материал, М. Гелл-Ман, Р. Фейнман, Р. Маршак и Е. Судершан (США) в 1957 предложили теорию универсального слабого взаимодействия, т. н. V—А-теорию. В этой теории, так же как в теории Ферми, С. в. возникает за счёт слабых токов. Отличие заключается лишь в двух пунктах:
Во-первых, у Ферми слабый ток был векторным, а в новой теории ток представляет собой сумму вектора (V) и аксиального вектора (А). (Аксиальный ток конструируется с помощью матриц γμγ5, где 
V и A) ведут себя одинаково, подобно обычным четырёхмерным векторам. Однако при зеркальных отражениях они ведут себя по-разному, т. к. обладают различной чётностью. В результате слабый ток не обладает определённой чётностью. Это свойство слабого тока отражает несохранение чётности в С. в., обнаруженное на опыте.
V и A) ведут себя одинаково, подобно обычным четырёхмерным векторам. Однако при зеркальных отражениях они ведут себя по-разному, т. к. обладают различной чётностью. В результате слабый ток не обладает определённой чётностью. Это свойство слабого тока отражает несохранение чётности в С. в., обнаруженное на опыте. Во-вторых, кроме членов 
μ в мюон [мюонное нейтрино было открыто экспериментально в 1962, и нейтрино, выступающее в реакциях совместно с электроном (позитроном), стали называть электронным и обозначать символом νe], и странный адронный ток, приводящий к распаду странных частиц (К-мезонов и гиперонов). Что касается нуклонного тока 
, то он теперь выступает ках одно из проявлений адронного тока, не меняющего странность.
μ в мюон [мюонное нейтрино было открыто экспериментально в 1962, и нейтрино, выступающее в реакциях совместно с электроном (позитроном), стали называть электронным и обозначать символом νe], и странный адронный ток, приводящий к распаду странных частиц (К-мезонов и гиперонов). Что касается нуклонного тока , то он теперь выступает ках одно из проявлений адронного тока, не меняющего странность. Адронные токи (нестранный и странный) более сложны, чем лептонные, поскольку число известных лептонов мало (е±, νe, ṽe, μ±, νμ, ν̃μ), а число известных адронов достигает нескольких сотен. Можно, однако, предположить, что все известные адроны построены из трёх типов более элементарных частиц, которые получили название кварков (См. Кварки): протонного кварка р, нейтронного кварка n, странного кварка λ и их античастиц — антикварков. Нуклоны состоят из трёх кварков: р = ppn, n = nnp; Λ-гиперон, например, содержит в своём составе наряду с р- и n-kварками ещё и странный кварк: Λ = pnλ; мезоны состоят антикварка: 
. Гипотеза кварков прекрасно объясняет широкий круг явлений, относящихся к свойствам сильных и электромагнитных взаимодействий адронов и их классификации. Согласно этой гипотезе, β-распад нейтрона происходит за счёт того, что в нейтроне один нейтронный кварк превращается в протонный кварк, испуская пару е- ν̃e. Аналогично, распад Λ → р + е-+ν̃e происходит за счёт превращения λ-кварка в р-кварк: λ → р + е- + ṽe, при этом слабый адронный ток можно записать в виде:
. Гипотеза кварков прекрасно объясняет широкий круг явлений, относящихся к свойствам сильных и электромагнитных взаимодействий адронов и их классификации. Согласно этой гипотезе, β-распад нейтрона происходит за счёт того, что в нейтроне один нейтронный кварк превращается в протонный кварк, испуская пару е- ν̃e. Аналогично, распад Λ → р + е-+ν̃e происходит за счёт превращения λ-кварка в р-кварк: λ → р + е- + ṽe, при этом слабый адронный ток можно записать в виде:
где 
— оператор рождения р-кварка (уничтожения 
n — оператор уничтожения n-кварка (рождения 
-кварка), λ — оператор уничтожения λ-кварка (рождения 
— т. н. угол Кабиббо, который, как показал опыт, равен примерно 15°. То, что sinϑ cosϑ, отражает тот факт, что распады с изменением странности частиц подавлены (идут с меньшей вероятностью) по сравнению с распадами, в которых странность сохраняется. Например, распад Λ → р + е- + ṽe подавлен по сравнению с распадом нейтрона n → p + е- + ν̃e. Это утверждение не следует понимать, однако, слишком буквально, т. к. вероятность распада определяется не только силой взаимодействия соответствующих токов, но и величиной энергии, выделяющейся в распаде, а именно пропорциональна пятой степени этой энергии. А энерговыделение в распаде нейтрона на два порядка меньше, чем в распаде Λ-гиперона. Т. о., малость sinϑ означает лишь, что Λ-гиперон хотя и распадается на 10 порядков быстрее нейтрона, однако примерно в 20 раз медленней, чем распадался бы нейтрон, если бы он имел массу Λ-гиперона.λ
— оператор рождения р-кварка (уничтожения n — оператор уничтожения n-кварка (рождения -кварка), λ — оператор уничтожения λ-кварка (рождения — т. н. угол Кабиббо, который, как показал опыт, равен примерно 15°. То, что sinϑ cosϑ, отражает тот факт, что распады с изменением странности частиц подавлены (идут с меньшей вероятностью) по сравнению с распадами, в которых странность сохраняется. Например, распад Λ → р + е- + ṽe подавлен по сравнению с распадом нейтрона n → p + е- + ν̃e. Это утверждение не следует понимать, однако, слишком буквально, т. к. вероятность распада определяется не только силой взаимодействия соответствующих токов, но и величиной энергии, выделяющейся в распаде, а именно пропорциональна пятой степени этой энергии. А энерговыделение в распаде нейтрона на два порядка меньше, чем в распаде Λ-гиперона. Т. о., малость sinϑ означает лишь, что Λ-гиперон хотя и распадается на 10 порядков быстрее нейтрона, однако примерно в 20 раз медленней, чем распадался бы нейтрон, если бы он имел массу Λ-гиперона.λ Если обозначить через jωсуммарный слабый ток:
то энергия (более точно — лагранжиан L) С. в. приобретает вид:
здесь G — константа С. в., индекс + означает сопряжённый ток:
Каждое из слагаемых в токах jω и 
представляет собой сумму вектора и аксиального вектора, например 
jω и 
за них ответственно. В клетках таблицы перенумерованы соответствующие процессы.
представляет собой сумму вектора и аксиального вектора, например jω и за них ответственно. В клетках таблицы перенумерованы соответствующие процессы. Таблица слабых процессов
----------------------------------------------------------------------
| | 
|
|
| 
| 
|