Фундаментальные взаимодействия в природе

К середине XX в. 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 этих реакциях 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 с энергией покоя или даже больше ее, 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 распа­даются на несколько других, а 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 (то есть 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^-15 м), то есть является короткодействующим и на этих расстояниях су­щественно (более чем в 100 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 р-распаде нейтрона: п° -» р⁺+ е^- + ѷ _е,, где р⁺ — протон, е^- — электрон, ѷ _е— электронное антинейтрино); осущест­вляется на очень малых расстояниях (~ 10^-18 м); 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^-35 м (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, то есть 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 v колебаний этого поля: Е= hv, где h— постоянная Планка. Такой подход к описанию взаимодействий фактически представляет со­бой диалектическое 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.