Квантовый возраст - [94]

Конечно, понятие «одна сила» — грубое и нереальное. Речь идет в действительности о поисках единой теории, которая могла бы описать все виды взаимодействий, существующие в природе, единой теории, из которой можно было бы получить правильные законы (совершенно различные) для различных процессов, будь то процессы, происходящие в мире элементарных частиц, или процессы в простых опытах школьной лаборатории.

Наиболее важной характеристикой различных процессов является энергия, при которой происходят те или иные процессы. Мы знаем, что в нормальном состоянии в большинстве своем вещества находятся в твердом состоянии. При нагревании твердого тела (т. е. при затрате определенной энергии) его можно расплавить. При затрате большей энергии жидкость можно довести до кипения и, таким образом, перевести вещество в газообразное состояние. В газе мы имеем дело с отдельными молекулами. Повышая дальше температуру (затрачивая больше энергии), можно разбить молекулы на атомы, ионизовать атомы — отделить от них электроны. Для того чтобы ионизовать, например, атом водорода, т. е. отнять у единственного протона его единственный электрон, требуется энергия 13,5 электронвольт (эВ). Соответствующая этой энергии температура порядка 150 000 градусов. При исследовании ядра и элементарных частиц энергии достигают очень больших величин, поэтому мы будем пользоваться гигаэлектронвольтами (1 ГэВ = 10⁹ эВ), в шкале температур это четырнадцатизначное число. В зависимости от того, с какими энергиями, с каким состоянием вещества мы имеем дело, проявляются различные свойства материи, проявляется действие различных сил природы.

Все силы, действующие в природе, сводятся сегодня к четырем (в действительности к трем, и мы к этому вернемся) силам, считающимся фундаментальными. Это гравитационная сила, самая универсальная. Она действует между всеми составляющими материи. Электромагнитная сила, действующая между зарядами, одноименными и разноименными, неподвижными и движущимися. Сильная ядерная сила, действующая внутри ядра и обеспечивающая удержание заряженные протонов и незаряженных нейтронов. Слабая сила, ответственная за радиоактивные превращения, в частности за то, что наше Солнце светит.

Законы действия этих сил различны, и у каждой из них своя «сфера влияния». Гравитационная сила прекрасно описывается законом Ньютона. Она убывает с расстоянием медленно, по закону обратных квадратов, так что ее действие распространяется очень далеко, а по величине она прямо пропорциональна массам взаимодействующих тел. Константа взаимодействия (коэффициент пропорциональности) — очень маленькая величина, так что гравитационная сила существенна лишь для очень массивных тел. Гравитационное взаимодействие двух бильярдных шаров, например, ничтожно, тогда как их взаимодействие с землей мы видим воочию.

Есть еще такой пример. Если бы атом водорода удерживался только за счет гравитационного взаимодействия между электроном и протоном, его размер был бы сравним с размерами видимой Вселенной. Иначе говоря, электрическое взаимодействие, за счет которого удерживается электрон возле протона, в 10³⁶ раз больше их гравитационного взаимодействия. Так что в мире элементарных частиц гравитационным взаимодействием можно пренебречь. Все так, пока мы имеем дело с привычными для нас вещами. Для полного описания теории гравитации понадобился гений Эйнштейна. И это еще не все. Именно гравитационная сила, столь ясно представленная Ньютоном, полностью описанная Эйнштейном в общей теории относительности, оказалась самой строптивой в свете современных представлений.

Электромагнитное взаимодействие не столь универсально, как гравитационное, но именно ему мы обязаны практически всем, что нас окружает: электрическая лампочка, радио, поверхностное натяжение в жидкостях, упругость твердых тел, химические реакции, обыкновенное трение, каждый атом, наконец. И для этих самых разных явлений существует один и тот же свод законов — электродинамика Максвелла.

Там, где начинают сказываться квантовые эффекты, вступает в силу квантовая электродинамика, основы которой заложил Дирак. Исходя из своего уравнения, того самого, которое «описывает почти всю физику», Дирак предсказал существование первой античастицы. Самым существенным в теории Дирака было то, что частицы и силы в ней были объединены в один объект — квантованное поле. Квантовая электродинамика — это теория квантованных сил. Действие этих полей осуществляется с помощью квантов поля — переносчиков электромагнитного взаимодействия — фотонов. Один заряд узнает о существовании другого заряда, получив от него «информацию» в виде фотона. Квантовая электродинамика — самая точная из всех теорий. И по ее подобию строятся теории двух других взаимодействий, сильного ядерного и слабого.

Квантами сильного ядерного поля — переносчиками сильного взаимодействия — являются глюоны. Так же как фотоны осуществляют взаимодействие между электрическими зарядами, глюоны осуществляют взаимодействие между цветовыми зарядами кварков. Глюоны, так же как и кварки, цветные. Glue по-английски клей. Специфика сильного квантового поля такова, что при увеличении расстояния между кварками интенсивность их взаимодействия сначала падает, а затем возрастает настолько, что при расстояниях порядка размеров ядра (10