Дао физики

Эта форма материи, обладающая многообразием форм и сложной молекулярной структурой, может существовать лишь при условии, что температура не очень высока, а движения молекул не очень сильны. При увеличении тепловой энергии примерно в 100 раз, как, например, внутри большинства звезд, все атомные и молекулярные структуры разрушаются. Получается, состояние большей части материи во Вселенной отличается от описанного выше. В центре звезд находятся большие скопления ядерного вещества. Там идут процессы, которые очень редко наблюдаются на Земле. Они вызывают астрономические явления, большая часть которых вызвана ядерными и гравитационными эффектами. Для нашей планеты особенно важны ядерные процессы в центре Солнца, питающие энергией околоземное пространство. Обнаружилось, что постоянный поток солнечной энергии, который является основой всей жизни на Земле, представляет собой результат ядерных реакций, т. е. процессов, происходящих в бесконечно малых пространствах. Вот он, триумф современной физики: осознание того, что приток солнечной энергии и наша связь с огромным миром становятся результатом реакций, происходящих внутри атома, т. е. явлений, которые можно отнести к бесконечно малым.

В начале 1930-х в истории изучения микромира наступил момент, когда физики испытали уверенность в том, что «строительные блоки» материи наконец открыты. Тогда стало известно, что вся материя состоит из атомов, а атомы — из протонов, нейтронов и электронов. Эти так называемые элементарные частицы воспринимались как конечные неделимые единицы материи, подобные атомам Демокрита. Как было сказано раньше, из квантовой теории следует, что мир нельзя разложить на отдельные мельчайшие составляющие, но в то время это воспринимали далеко не все. Классическое мышление было всё еще настолько сильно, что многие физики верили, будто материя состоит из «фундаментальных строительных блоков». Даже сейчас у этой точки зрения много сторонников.

Но два важных достижения физики показали, что пора отказаться от представлений об элементарных частицах как о мельчайших составляющих материи. Первое носило экспериментальный характер, второе — теоретический, и оба были сделаны в 1930-е. Усовершенствование техники эксперимента и разработка новых приборов обнаружения частиц помогли открыть новые их разновидности. Так, к 1935 г. было известно уже не три, а шесть элементарных частиц, к 1955 г. — 18, а к 1974 г. — более 200. В такой ситуации слово «элементарная» уже вряд ли применимо. В таблицах 1–2[55] приведены данные о большинстве из известных к 1974 г. частиц[56].

Таблица 1. Таблица мезонов, апрель 1974 г.

Таблица 2. Таблица барионов, апрель 1974 г.

Получается, прилагательное «элементарные» уже не настолько привлекательно, как раньше. По мере увеличения числа известных частиц росла уверенность в том, что не все они подходят под это определение, а уже в 1970-е многие физики считали, что этого названия не заслуживает ни одна из них.

Эта точка зрения подкрепляется теоретическими разработками, проводившимися одновременно с экспериментальным изучением частиц. Вскоре после формулировки квантовой теории стало очевидно, что она не может быть всеобъемлющим инструментом для описания ядерных явлений и должна быть дополнена теорией относительности. Дело в том, что частицы в пределах ядра часто движутся со скоростью, близкой к скорости света. Это очень важно, поскольку описание любого природного явления, в котором действуют скорости, близкие к световой, должно учитывать теорию относительности, т. е. быть, как говорят физики, «релятивистским». Для точного понимания ядра нам нужна модель, объединяющая теорию относительности и квантовую теорию. Она еще не создана, и попытки полного описания ядра пока не увенчались успехом. Мы немало знаем о строении ядра и взаимодействиях его частиц, но не располагаем фундаментальным пониманием природы ядерных сил и сложной формы, в которой они проявляются. Не существует и всеобъемлющей теории атомной частицы, сопоставимой с описанием атома в квантовой теории. Есть несколько «квантово-релятивистских» моделей, удовлетворительно раскрывающих отдельные аспекты мира частиц, но соединение квантовой теории и теории относительности и создание общей теории частиц остаются главными из пока не решенных задач современной физики.