8. 2. Фундаментальные взаимодействия в природе
К середине ХХ века экспериментальная база для проведения исследований микромира была в основном создана и начался планомерной штурм глубинной структуры вещества. Результаты этого штурма оказались во многом неожиданными и привели к совершенно новому взгляду на природу материи.
Во-первых, почти сразу было обнаружено несколько сотен различных элементарных частиц, и число их продолжает расти. Это вызвало недоумение и даже разочарование ученых. Ведь трудно поверить, что Природа заложила в свой фундамент столь разнообразную первооснову. Возник вопрос: действительно ли обнаруженные частицы являются элементарными? Довольно скоро стало ясно, что число «истинно элементарных» частиц гораздо меньше.
Во-вторых, подавляющее большинство элементарных частиц являются нестабильными, их время жизни ничтожно мало. При этом во всех известных сегодня реакциях эти частицы лишь переходят друг в друга и никакие более простые «куски» от них не отщепляются. Но самое удивительное заключается в том, что при таких взаимных превращениях уже не имеют места привычные для нас представления о части и целом, о простом и сложном. Например, протон, испустив достаточно массивный положительно заряженный мезон, становится нейтроном, который при определенных условиях может испустить отрицательно заряженный мезон и в свою очередь превратиться в... протон. На первый взгляд это противоречит здравому смыслу, так как нейтрон массивнее протона и, следовательно, не может быть его частью. Кроме того, протон в этой реакции оказывается как бы частью самого себя. Однако в микромире часть может оказаться не менее сложной и даже более массивной, чем целое. Это связано с тем, что говорить об отдельных частях любой системы можно только в том случае, когда связь этих частей друг с другом гораздо слабее, чем внутренняя связь самих частей. Например, в атомах и даже в атомных ядрах энергия связи отдельных компонентов (электронов и ядер - в атомах, нуклонов - в ядрах) значительно меньше, чем энергия покоя этих компонентов, и это позволяет нам говорить, что атом состоит из ядра и электронов, а атомное ядро - из нуклонов. В самих же нуклонах и других элементарных частицах энергия связи их «частей» сравнима или даже больше энергии покоя, так что «части» теряют свою индивидуальность, а утверждение о том, что какая-то частица состоит из других частиц становится весьма условным. Вообще идея механической делимости объектов в области микромира теряет смысл. Опыт показывает, что, являясь нестабильными, большинство элементарных частиц быстро распадается на несколько других, те в свою очередь также распадаются и конца этому процессу нет. Получается как бы единая крепко сплетенная сеть, где нет ни начала, ни конца и все частицы являются одновременно и элементарными, и сложными.
В-третьих, для объяснения поведения этих частиц известных к тому времени законов электромагнетизма и гравитации оказалось недостаточно и к ним пришлось добавить еще два специфических для микромира взаимодействия: сильное и слабое. Таким образом, в настоящее время известны четыре фундаментальных (т.е. не сводящихся друг к другу) взаимодействия, которые и определяют иерархию элементарных частиц. Рассмотрим эти взаимодействия в порядке уменьшения их «интенсивности».
Сильное взаимодействие имеет характер притяжения между большинством элементарных частиц, в частности, оно обеспечивает связь нуклонов (протонов и нейтронов) в атомных ядрах; проявляется только на очень малых расстояниях, сравнимых с размерами ядер (~ 10-13 см), т.е. является короткодействующим и на этих расстояниях существенно (более чем в сто раз) превосходит электромагнитное взаимодействие.
Электромагнитное взаимодействие обусловливает связь заряженных частиц в атомах и молекулах; осуществляется на значительных расстояниях, описывается известными законами электричества и магнетизма.
Слабое взаимодействие проявляется при распаде некоторых квазистабильных элементарных частиц (например, при -распаде нейтрона: n0 p+ + e- +e, где p+ - протон, е- - электрон, е - электронное антинейтрино); осуществляется на очень малых расстояниях (~ 10-16 см); играет важную роль в термоядерных реакциях, поэтому активно участвует в эволюции звезд и других космических объектов.
Наконец, гравитационное взаимодействие является самым универсальным, так как осуществляется между всеми материальными объектами. Оно действует на очень больших расстояниях (как и электромагнитное), однако, в силу своей малости, играет несущественную роль в микромире вплоть до расстояний порядка 10-33 см (так называемая «планковская длина»). Ожидается, что на столь малых расстояниях гравитационное взаимодействие становится «равноправным» участником событий. С другой стороны, гравитация является основным фактором, определяющим поведение объектов мегамира.
Все эти взаимодействия в масштабах микромира имеют по своей природе квантовый характер. Это означает, что в соответствии с современными представлениями, каждое из них осуществляется путем обмена квантами соответствующего поля. Например, кванты электромагнитного поля - фотоны - представляют собой дискретные «порции» с энергией Е, пропорциональной частоте колебаний этого поля: Е = h, где h - постоянная Планка. Такой подход к описанию взаимодействий фактически представляет собой диалектические единство концепций близкодействия и дальнодействия. Действительно, наличие «посредника», «переносчика» взаимодействия напоминает нам о концепции близкодействия. В то же время обмен дискретными порциями энергии фактически «реанимирует» идею дальнодействия, лишая ее, правда, гипотезы о мгновенной скорости передачи взаимодействия.