Охота за кварками

Нити в гобелене

Кто-то из ученых сравнил физику с лоскутным одеялом, где лоскутки-закономерности пригнаны друг к другу кое-как, наспех, где проглядывают связывающие эти «заплатки» ниточки самых неподходящих (черное на белом!) цветов. Да, такое впечатление может произвести природа на профанов. А вот профессионалы знают: сквозь этот сумбур и мельтешение отчетливо виден лик Простоты.

Вещество связывают в ядра, атомы, предметы, горы, планеты, галактики всего лишь четыре вида основных сил. Силы электромагнитные, гравитационные силы, силы сильные и силы слабые.

Тяготение, определяющее структуру космоса, и электромагнетизм, благодаря которому в наших приемниках звучит музыка и светятся экраны телевизоров, известны человеку сравнительно давно. Но лишь в начале нашего века благодаря успехам атомной физики были открыты еще два фундаментальных взаимодействия — сильное и слабое.

Для тяготения и электромагнетизма характерно дальнодействие — потому их так быстро и распознали. Власть этих сил простирается до безмерных далей, теряющихся в космических глубинах.

Иное у ядерных сил (силы сильные и силы слабые).

«Руки» у них коротки. Им по плечу только малые субъядерные расстояния. Сильные силы обусловливают целостность атомных ядер и частиц. Они связывают между собой протоны и нейтроны в атомном ядре и кварки внутри протонов и нейтронов. А вот силы слабые наоборот — именно они ответственны за развалы ядер и частиц.

Именно их стараниями в мире элементарных частиц целое распадается на части. Приведем только один, но важный пример могущества слабых сил. Если бы удалось «выключить» слабые силы, то погасло бы Солнце, ибо «выгорание» содержащегося в светиле водорода, его превращение в гелий прекратилось бы.

Итак, миром правят четыре силы. Но насколько различными они кажутся внешне! Взять хотя бы их величину.

Примем самые мощные из четверки сил — сильные взаимодействия — за мерило, за единицу. Ею будет величина сил, притягивающих друг к другу два протона-соседа Тогда электромагнитные силы, отталкивающие те же протоны (одноименные заряды отталкиваются), будут примерно в сто (10 ^-2) раз слабее.

Еще меньше — в 10 ^-5раз — слабые взаимодействия (слабые силы). И уж совсем ничтожны силы тяготения: они слабее сильных в 10 ^-39раз.

Как это представить? Если бы электроны были привязаны к атомному ядру не электричеством, а гравитацией, то атом водорода — самый маленький из атомов — был бы больше всей нашей (видимой человеку) Вселенной!

Всего четыре основных взаимодействия наблюдается н природе — как это все напоминает взгляды древних.

Горячее и холодное, сухое и влажное. Эти две пары противоположных характеристик неизменно приписывались тем основополагающим элементам, из которых, как полагали в античном мире и в средневековье, состоит весь окружающий мир — горячий, сухой огонь; горячий, влажный воздух; холодная, влажная вода; холодная, сухая земля.

Но гораздо удивительнее, пожалуй, другое совпадение. Согласно древнеиндийским Ведам четыре первоэлемента — воздух, огонь, вода, земля обязаны своим происхождением так называемому «акаша», имеющему, видимо, смысл первородного «пространства» или, что понятнее физикам, чего-то напоминающего мировой эфир.

Так рассуждали многие тысячелетия назад древние мудрецы. И удивительно схожим образом рассуждают современные ученые. По новейшим воззрениям физиков, об этом сейчас будет речь, четыре главные силы природы, как четыре основные нити в прекрасном, созданном руками искусного художника гобелене, всего лишь различные проявления одной основополагающей силы природы, одного основного начала.

Великое, затем — суперобъединение

В истории физических теорий прослеживается упорная тенденция к унификации.

Первый шаг сделал И. Ньютон (1643–1727). Он показал, что один и тот же закон управляет и полетом снарядов, и перемещением планет. Обстоятельство это отнюдь не самоочевидно: интуитивно мы воспринимаем очень большие и очень малые тела (скажем, Солнце и яблоко) весьма различно. Поэтому во времена И. Ньютона тот факт, что одни и те же закономерности описывают и движение звезд, и движение колесиков часового механизма, воспринимался как откровение.

Быстрый и бесспорный успех механики Ньютона привел к тому, что эта наука о силах и движении была принята как основа физики в целом и вообще для всех естественных наук. В любом феномене прежде всего искали «механизм» и «движущие силы». Этот принцип пытались также применить к электрической и магнитной силам, которые вначале воспринимались как совершенно разнородные явления. Понадобился гений Дж. Максвелла (английский физик, 1831–1879) для осознания того, что законы электромагнетизма нельзя вывести из законов механики.

Позднее этот же ученый объединил электрические и магнитные явления. Предпосылкой для объединения этих, казалось бы, разнородных сил послужил изящный опыт, выполненный датским физиком X. Эрстедом.