Барри Паркер - Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения
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.
Для своего времени теория Ньютона была превосходной. Она объясняла почти всё, во всяком случае многое, в устройстве Вселенной, доступной нашим органам чувств. В ней воплотились многократно проверявшиеся взаимосвязи, а сама теория отличалась удивительной простотой. Это, по мнению большинства учёных, весьма важно – любая теория должна основываться на небольшом числе постулатов, и чем их меньше, тем лучше. Более того, всякая теория должна допускать проверку опытом, и, естественно, классическая теория удовлетворяла этому требованию.
Но так как теории создаются людьми, они несут на себе печать недостатков своих создателей. Бывает, что новая теория поначалу только кажется значительным достижением, но скоро от неё приходится отказаться. Любая теория распространяется лишь на ограниченное число явлений. Если многие эксперименты подтвердили справедливость теории в каких-то пределах, то её можно безбоязненно применять в этих рамках, необходимо только внимательно следить, чтобы их не перешагнуть.
Именно так обстоит дело с классической теорией. Объекты обычных размеров, движущиеся с привычными скоростями, удовлетворительно описываются классическими законами движения, но стоило учёным попытаться распространить эти законы на атомы и микромир вообще, как оказалось, что тут классические законы не работают, что-то с ними было не так.
Тем не менее вера в классическую теорию была настолько велика, что на осознание пределов её применимости потребовалось довольно много времени. Часть этих пределов стала заметна ещё в конце XIX века, но большинству учёных они представлялись лишь небольшими недостатками, прорехами, которые без труда можно залатать. Один учёный на рубеже XX века даже публично заявил, что о Вселенной известно практически всё, т.е. обнаружены все основные законы. Он и не подозревал, что вот-вот в физике начнётся настоящая революция.
