МИР ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Во второй половине XX в. физики, занятые изучением фундаментальной структуры материи, получили поистине удивительные результаты. Было открыто множество новых субатомных частиц. Их обычно называют элементарными частицами, но далеко не все из них действительно элементарны. Многие из них в свою очередь состоят из еще более элементарных частиц.

Новые частицы обычно открывают в реакциях рассеяния уже известных частиц. Для этого сталкивают частицы с как можно большими энергиями, а затем исследуют продукты их взаимодействия и фрагменты, на которые распались образовавшиеся частицы. До 50-х гг. основным источником первичных частиц были космические лучи, а в наше время ускорители, создающие интенсивные пучки частиц с высокими энер­гиями.

Мир субатомных частиц поистине многообразен. Среди них и «кирпичики», из которых построено вещество: составляющие атомные ядра протоны и нейтроны, а также электроны, обращающиеся вокруг ядер. Но есть и такие частицы, которые в окружающем нас веществе практически не встречаются — резонансы. Время их жизни — мельчайшие доли секунды. По истечении этого чрезвычайно короткого вре­мени они распадаются на обычные частицы. Таких нестабильных короткоживущих частиц поразительно много: их известно уже свыше трех сотен.

В 50—70-е гг. физики были совершенно сбиты с толку многочисленностью, разно­образием и необычностью вновь открытых субатомных частиц. Если в конце 40-х гг. было известно 15 элементарных частиц, то в конце 70-х гг. уже около четырехсот. Совершенно непонятно, для чего столько частиц. Являются ли элементарные частицы хаотическими и случайными осколками материи или, возможно, за взаимодействиями этих частиц скрывается некоторый порядок, указывающий на существование фундаментальной структуры субъядерного мира? Развитие физики в последующие десятиле­тия показало, что в существовании такой структуры нет никаких сомнений. Миру субатомных частиц присущи объективные закономерности и глубокий структурный порядок. В основе этого порядка — фундаментальные физические взаимодействия.

Фундаментальные физические взаимодействия

Гравитация

В свой повседневной жизни человек сталкивается с множеством сил, действующих на тела: сила ветра или потока воды; давление воздуха; мощный выброс взрывающихся химических веществ; мускульная сила человека; вес предметов; давление квантов света; притяжение и отталкивание электрических зарядов; сейсмические волны, вызывающие подчас катастрофические разрушения; вулканические извержения, приводившие к гибели цивилизаций; и т.д. Одни силы дейст­вуют непосредственно при контакте с телом, другие, например гравитация, действуют на расстоянии, через пространство. Но, как вы­яснилось в результате развития естествознания, несмотря на столь большое разнообразие, все действующие в природе силы можно свести к четырем фундаментальным взаимодействиям. Именно эти взаимодейст­вия в конечном счете отвечают за все изменения в мире, именно они являются источником всех материальных преобразований тел, про­цессов. Каждое из четырех фундаментальных взаимодействий имеет сходство с тремя остальными и в то же время свои отличия. Изучение свойств фундаментальных взаимодействий составляет главную зада­чу современной физики.

Гравитация первым из четырех фундаментальных взаимодействий стала предметом научного исследования. Созданная в XVII в. ньютоновская теория гравитации (закон всемирного тяготения) позволила впервые осознать истинную роль гравитации как силы при­роды (см. 6.3.1).

Гравитация обладает рядом особенностей, отличающих ее от дру­гих фундаментальных взаимодействий. Наиболее удивительной осо­бенностью гравитации является ее малая интенсивность. Гравитаци­онное взаимодействие в 10³⁹ раз меньше силы взаимодействия элект­рических зарядов *. Как может такое слабое взаимодействие оказать­ся господствующей силой во Вселенной?

* Если бы размеры атома водорода определялись гравитацией, а не взаимодей­ствием между электрическими зарядами, то радиус низшей (самой близкой к ядру) орбиты электрона превосходил бы радиус доступной наблюдению части Вселенной.

Все дело во второй удивительной черте гравитации — ее универ­сальности. Ничто во Вселенной не может избежать гравитации. Каж­дая частица испытывает на себе действие гравитации и сама является источником гравитации, вызывает гравитационное притяжение. Гравитация возрастает по мере образования все больших скоплений вещества. И хотя притяжение одного атома пренебрежимо мало, но результирующая сила притяжения со стороны всех атомов может быть значительной. Это проявляется и в повседневной жизни: мы ощущаем гравитацию потому, что все атомы Земли сообща притяги­вают нас. Зато в микромире роль гравитации ничтожна. Никакие квантовые эффекты в гравитации пока не доступны наблюдению.

Кроме того, гравитация — дальнодействующая сила природы. Это означает, что, хотя интенсивность гравитационного взаимодейст­вия убывает с расстоянием, оно распространяется в пространстве и может сказываться на весьма удаленных от источника телах. В астро­номическом масштабе гравитационное взаимодействие, как прави­ло, играет главную роль. Благодаря дальнодействию гравитация не позволяет Вселенной развалиться на части: она удерживает планеты на орбитах, звезды в галактиках, галактики в скоплениях, скопления в Метагалактике.

Сила гравитации, действующая между частицами, всегда пред­ставляет собой силу притяжения: она стремится сблизить частицы. Гравитационное отталкивание еще никогда не наблюдалось *.

* Хотя в традициях квазинаучной мифологии есть целая область, которая на­зывается левитация — поиск «фактов» антигравитации.

Пока еще нет однозначного ответа на вопрос, чем является грави­тация — неким полем, искривлением пространства-времени или тем и другим вместе. На этот счет существуют разные мнения и концеп­ции (см. 10.2.4). Поэтому нет и завершенной теории квантово-гравитационного взаимодействия (см. 10.3.5).

Электромагнетизм

По величине электрические силы намного превосходят гравитаци­онные, поэтому в отличие от слабого гравитационного взаимодейст­вия электрические силы, действующие между телами обычных разме­ров, можно легко наблюдать. Электромагнетизм известен людям с незапамятных времен (полярные сияния, вспышки молнии и др.).

В течение долгого времени электрические и магнитные процессы изучались независимо друг от друга. Как мы уже знаем, решающий шаг в познании электромагнетизма сделал в середине XIX в. Дж. К. Максвелл, объединивший электричество и магнетизм в единой теории электромагнетизма — первой единой теории поля.

Существование электрона (единицы электрического заряда) было твердо установлено в 90-е гг. XIX в. Но не все материальные частицы являются носителями электрического заряда. Электричес­ки нейтральны, например, фотон и нейтрино. В этом электричество отличается от гравитации. Все материальные частицы создают гравита­ционное поле, тогда как с электромагнитным полем связаны только заря­женные частицы.

Долгое время загадкой была и природа магнетизма. Как и элект­рические заряды, одноименные магнитные полюсы отталкиваются, а разноименные — притягиваются. В отличие от электрических заря­дов магнитные полюсы встречаются не по отдельности, а только парами — северный полюс и южный. Хорошо известно, что в обыч­ном магнитном стержне один конец действует как северный полюс, а другой — как южный. Еще с древнейших времен известны попытки получить посредством разделения магнита лишь один изолирован­ный магнитный полюс — монополь. Но все они заканчивались неуда­чей: на месте разреза возникали два новых магнита, каждый из кото­рых имел и северный, и южный полюсы. Может быть, существование изолированных магнитных полюсов в природе исключено? Опреде­ленного ответа на этот вопрос пока не существует. Некоторые современные теории допускают возможность существования монополя.

Электрическая и магнитная силы (как и гравитация) являются дальнодействующими, их действие ощутимо на больших расстояни­ях от источника. Электромагнитное взаимодействие проявляется на всех уровнях материи — в мегамире, макромире и микромире. Как и гравитация, оно подчиняется закону обратных квадратов.

Электромагнитное поле Земли простирается далеко в космичес­кое пространство, мощное поле Солнца заполняет всю Солнечную систему; существуют и галактические электромагнитные поля. Электромагнитное взаимодействие определяет также структуру ато­мов и отвечает за подавляющее большинство физических и химичес­ких явлений и процессов (за исключением ядерных). К нему сводятся все обычные силы: силы упругости, трения, поверхностного натяже­ния, им определяются агрегатные состояния вещества, оптические явления и др.