Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения

Паркер Барри

Сразу же за квазарами проходит граница наблюдаемой Вселенной. Может показаться странным, что у нашей Вселенной есть граница, ведь тут же возникает вопрос, а что за этой границей? Чтобы понять, откуда берётся граница, нужно рассмотреть скорость разбегания сильно удалённых объектов – она близка к скорости света, а согласно теории относительности (с которой мы познакомимся позже) ни одно тело не может двигаться относительно нас со скоростью света или большей (её обычно обозначают латинской буквой c). Итак, сразу же за квазарами находится область, где объекты – если бы они там были – должны были бы двигаться со скоростью c, а это невозможно. Это и есть граница наблюдаемой Вселенной. За последние десять лет астрономы многое узнали о Вселенной: были открыты

новые типы объектов – пульсары, квазары, предсказано существование сверхэкзотических объектов, таких как чёрные дыры, и астрономы считают, что они действительно есть, хотя неопровержимо доказать это пока не удалось. Каждое новое достижение, каждое новое открытие расширяют наши знания о Вселенной, но в то же время приносят новые тайны, новые загадки, требующие решения. Невольно возникает вопрос – а истощится ли когда-нибудь поток этих загадок?

До сих пор речь шла о тайнах вселенского масштаба, связанных с макрокосмосом. Но в ином пространственном масштабе проходит ещё одна граница, граница микрокосмоса – мира атомов и элементарных частиц. И в этом мире тайн ничуть не меньше.

Во Вселенной встречается много различных частиц, но преобладают среди них три – электроны, протоны и нейтроны. Электрон имеет отрицательный заряд, протон гораздо массивнее его, имеет заряд той же величины, но положительный, а у нейтрона заряда вообще нет.

Первая частица другого вида была предсказана в 1932 году английским физиком-теоретиком Полем Дираком. Работая над теорией электрона, он обнаружил, что должна существовать частица, во всём подобная электрону, но имеющая положительный заряд. Несколько лет спустя был обнаружен положительно заряженный электрон, названный позитроном. Позже установили, что каждой частице соответствует античастица, а при их встрече происходит удивительная вещь – они уничтожают друг друга, аннигилируют, и при этом выделяется значительная энергия.

В 1935 году было сделано ещё одно важное предсказание. Японский физик Хидэки Юкава постулировал существование частицы с массой, большей чем у электрона, но меньшей чем у протона – так называемого мезона. В течение следующих трёх лет действительно удалось обнаружить частицу с промежуточной массой (мюон), но оказалось, что у неё совсем не те свойства, которые предсказывал Юкава. В конце концов нашли и частицу Юкавы, которая носит название «пион».

Шли годы, и учёные обнаруживали всё новые и новые частицы. По мере увеличения размеров ускорителей тоненький ручеёк открытий превратился в мощный поток, и в конце концов физиков захлестнуло «море» элементарных частиц. Они даже начали задумываться, иссякнет ли когда-нибудь этот поток. Для удобства было решено разделить все частицы на два типа – лептоны и адроны. К лептонам отнесли лёгкие частицы (наиболее известная из них – электрон), а к адронам – тяжёлые. Адроны подразделены ещё на две группы – барионы и мезоны. Самый известный из барионов – протон; к ним принадлежит также и нейтрон. Как уже упоминалось раньше, мезоны имеют промежуточную массу.

И всё же простая классификация частиц по типам отнюдь не помогла решить проблему. С ростом числа частиц в семействах пришло понимание того, что в основе классификации должна быть некая система; все эти частицы, в особенности огромное семейство барионов, никак не могли быть «по-настоящему элементарными». Они явно состоят из каких-то более фундаментальных частиц.

В 1964 году Мюррей Гелл-Манн из Калифорнийского технологического института и независимо от него Георг Цвейг из Женевы предложили решение проблемы. Они предположили, что адроны состоят из трёх фундаментальных частиц, которые Гелл-Манн назвал кварками (в предложенной схеме есть и антикварки). С физической точки зрения теория была замечательной – она предсказывала все наблюдаемые частицы и позволяла свести число действительно элементарных типов адронов во Вселенной всего к трём; с таким числом справиться значительно легче. Существовала, впрочем, одна трудность – кварков никто никогда не видел. След одиночного кварка ни разу не наблюдался в пузырьковой камере, более того, ниоткуда, кроме этой теории, их существование не следовало! И всё же, несмотря на то что кварки до сих пор не обнаружены, теория осталась. В неё внесли некоторые изменения, но по сей день она лучшая из всех теорий элементарных частиц.

Итак, все элементарные частицы, из

которых построена Вселенная, самые фундаментальные (насколько можно судить) составляющие материи можно разделить на два класса: лептоны и кварки. Лептон нельзя расщепить на что-то более элементарное, и уж, конечно, нельзя расщепить кварк, который к тому же до сих пор не удалось изолировать. Сейчас принято считать, что кварк в принципе изолировать нельзя.

Весь мир построен из этих различным образом сгруппированных частиц. Но если бы существовали только они, наш мир выглядел бы весьма странно: в пространстве беспорядочно носились бы бесчисленные миллиарды частиц. Нам известно, что на самом деле частицы движутся не беспорядочно, на них действуют силы, удерживающие их вместе. В природе известны четыре типа сил, два из которых проявляются внутри атомов. Атом состоит из ядра, в котором плотно упакованы протоны и нейтроны (в ядре сосредоточена почти вся масса атома), и вращающихся вокруг него электронов. В электрически нейтральном атоме число электронов равно числу протонов. Так как протоны имеют положительный заряд, а электроны – отрицательный, они удерживаются на орбите в результате электрического притяжения противоположных по знаку зарядов.

Приглядевшись к ядру попристальнее, можно заметить, что протоны располагаются очень близко друг к другу, хотя, будучи одноименно заряженными частицами, они должны были бы отталкиваться, что, кстати, на определённом расстоянии и происходит. Но есть другая сила – сильное взаимодействие, примерно в 1000 раз более мощное, чем электромагнитное. Сильное взаимодействие отличается от электромагнитного тем, что оно близкодействующее, т.е. действует только на расстоянии порядка диаметра ядра. Это означает, что при сближении два протона сначала отталкивают друг друга, а потом вдруг, на очень малом расстоянии, между ними возникает сильнейшее притяжение, удерживающее их вместе. Сильное взаимодействие проявляется не между всеми частицами, а только между парами адронов.

Третья фундаментальная сила природы внутри атомов почти не проявляется, для этого она очень слаба (в миллиард миллиардов раз слабее электромагнитных сил), хотя с ней, несомненно, знакомы все – это сила тяжести. Как и электромагнитное, гравитационное поле дальнодействующее, но отличается тем, что вызывает только притяжение (электромагнитное поле вызывает также отталкивание). Конечно, между ядром и вращающимися вокруг него электронами есть слабое гравитационное притяжение, но оно настолько мало, что по сравнению с другими силами его можно не учитывать. Это не значит, что гравитационным полем можно вовсе пренебречь; оно важно хотя бы потому, что благодаря ему мы удерживаемся на Земле. Под действием гравитационного поля и Земля вращается вокруг Солнца.

Последнее из четырёх фундаментальных взаимодействий – слабое ядерное. Оно несколько сильнее гравитационного, но гораздо слабее электромагнитного или сильного. Слабое взаимодействие (как и сильное) очень короткодействующее, но оно в отличие от сильного проявляется редко, только в некоторых типах ядерных реакций.

В поисках сути

Современный научный метод – проведение экспериментов в лаборатории – был введён Галилеем. Благодаря этому методу он смог объяснить немало явлений природы, которые оставались загадкой в течение многих столетий. Позднее Ньютон ввёл в науку математику. Он показал, что движение тел можно описать формулами, что формулы – удобный способ краткой записи физических процессов. Ньютон продемонстрировал и магию своих формул. С их помощью можно не только определить, как вели себя и двигались частицы и тела в прошлом (если известно, какие силы на них действовали), но и предсказать, что с ними случится в будущем, сколь угодно далёком.

Однако самым важным достижением Ньютона было введение понятия теории. В основе теории лежат несколько основных законов, на базе которых можно делать различные предсказания. Теория движения Ньютона, известная под названием ньютоновой механики, основана на небольшом числе простых законов, из которых можно вывести любые типы движения.

Вскоре после того, как Ньютон предложил свои теории, стали появляться и другие; представления об электричестве и магнетизме спустя много лет выкристаллизовались усилиями Максвелла в теорию электромагнетизма. В те же годы была сформулирована теория теплоты. Теперь все они называются классическими теориями.