Кратчайшая история времени - Стивен Уильям Хокинг

момент единственную другую известную элементарную частицу[14], и что это станет концом теоретической физики. Но открытие нейтрона и ядерных сил положило конец и этой надежде. Однако все же есть определенные основания для осторожного оптимизма – наши поиски фундаментальных законов природы, возможно, скоро увенчаются успехом.

В квантовой механике у сил, или взаимодействий между частицами, есть носители, и все они являются элементарными частицами. При взаимодействии вещества, например, электрон или кварк, излучает частицу – носитель силы. Из-за возникающей отдачи скорость частицы вещества меняется – аналогично тому, как пушка откатывается назад после вылета ядра из жерла. Частица-носитель силы потом сталкивается с другой частицей вещества и поглощается ею, изменяя тем самым ее движение. Конечный результат излучения и поглощения частицы такой же, как если бы две частицы вещества непосредственно действовали бы друг на друга с некой силой.

У каждой силы есть свой тип частицы-носителя. Если носителем силы являются массивные частицы, то их рождение и обмен ими на больших расстояниях затруднительны, и поэтому такие силы оказываются короткодействующими. С другой стороны, силы, носителями которых являются частицы с нулевой массой покоя, являются дальнодействующими. Частицы-носители взаимодействия между частицами вещества называются виртуальными, потому что, в отличие от реальных, виртуальные частицы невозможно непосредственно обнаружить при помощи детектора частиц. Но мы знаем об их существовании благодаря их вполне измеримому влиянию: виртуальные частицы создают силы, действующие между частицами вещества.

Обмен частицами. Согласно квантовой теории сила является результатом обмена частицами-носителями взаимодействия

Частицы-носители взаимодействий можно подразделить на четыре категории. Следует отметить, что это разделение на четыре класса условное и сделано для удобства построения частных теорий, но при этом не отражает какую бы то ни было более глубокую реальность. Большинство физиков надеются, что когда-нибудь получится построить единую теорию, в которой все виды сил будут рассматриваться как разные аспекты единой силы. И многие считают это главной задачей современной физики.

К первой категории относится сила тяготения. Это универсальная сила в том смысле, что любая частица «ощущает» воздействие силы тяготения, и восприимчивость к силе тяготения зависит от массы или энергии частицы. Считается, что гравитационное притяжение является результатом обмена виртуальными частицами под названием гравитоны. Тяготение или гравитация – самая слабая из всех сил, причем она намного слабее остальных; гравитация настолько слаба, что мы бы вообще ее не замечали, если бы не две ее особенности: во-первых, это дальнодействующая сила, а во-вторых, она всегда действует как сила притяжения. Это значит, что очень слабые гравитационные силы, действующие между частицами в составе двух больших тел, таких как Земля и Солнце, складываются, в результате чего получается весьма внушительная сила. Остальные три типа сил либо короткодействующие, либо могут иметь вид как притяжения, так и отталкивания, компенсируя друг друга.

К следующей категории относится электромагнитная сила, которая действует на электрически заряженные частицы, такие как электроны и кварки, но не действует на нейтральные частицы вроде нейтрино. Она гораздо сильнее гравитации: сила электромагнитного взаимодействия двух электронов примерно в миллион миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов (единица с 42 нулями) раз больше силы гравитационного взаимодействия этих частиц. Но электрические заряды бывают двух видов – положительные и отрицательные. При этом два положительных, также как и два отрицательных заряда отталкиваются друг от друга, а положительный и отрицательный заряды притягиваются друг к другу.

В крупном теле вроде Земли или Солнца количество положительных зарядов примерно равно количеству отрицательных зарядов, и в результате силы отталкивания и притяжения между отдельными частицами взаимно уравновешиваются, и суммарная электромагнитная сила оказывается очень малой. Но на малых масштабах – атомных и молекулярных – электромагнитные силы преобладают. Сила электромагнитного притяжения между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными протонами атомного ядра удерживает электроны на орбитах вокруг атомного ядра, совсем как сила гравитационного притяжения удерживает Землю на орбите вокруг Солнца. Сила электромагнитного притяжения представляется как результат обмена большим количеством виртуальных частиц – фотонов. Опять-таки обмениваемые в ходе взаимодействия фотоны являются виртуальными частицами. Но в случае, когда электрон переходит с одной орбиты на другую, расположенную ближе к ядру, происходит выделение энергии и излучается реальный фотон, который может наблюдаться человеческим глазом в виде видимого света, если его длина волны попадает в соответствующий интервал, или другим фотоприемником – например, фотографической пленкой. Точно так же при столкновении реального фотона с атомом электрон, движущийся по орбите, расположенной вблизи ядра, может оказаться выбитым на более далекую орбиту. При этом энергия фотона расходуется и сам фотон поглощается.

Третья категория сил называется слабым ядерным взаимодействием. В обычной жизни мы обычно с этим взаимодействием не сталкиваемся. Но оно отвечает за радиоактивный распад атомных ядер. Механизм слабого ядерного взаимодействия был не очень понятен до 1967 года, когда Абдус Салам в Имперском колледже в Лондоне и Стивен Вайнберг в Гарвардском университете создали единую теорию слабого и электромагнитного взаимодействия, аналогично тому, как за сто лет до этого Максвелл создал единую теорию электрических и магнитных явлений. Согласие предсказаний теории электрослабого взаимодействия с экспериментом оказалось настолько хорошим, что в 1979 году Саламу, Вайнбергу и еще одному ученому из Гарвардского университета Шелдону Глэшоу, создавшему аналогичную единую теорию электромагнитного и слабого ядерного взаимодействий, была присуждена Нобелевская премия.

К четвертой категории относятся самый сильный тип взаимодействий – ядерные силы. Это еще один вид силы, с которым нам не приходится непосредственно сталкиваться, но именно она скрепляет почти все вокруг нас. Эта сила удерживает вместе кварки внутри протонов и нейтронов, а также протоны и нейтроны внутри атомного ядра. Без сильного взаимодействия ядра всех элементов во Вселенной, за исключением ядер водорода, состоящих из одного протона, распались бы из-за взаимного отталкивания положительно заряженных протонов. Считается, что носителями этой силы являются частицы под названием «глюоны», которые взаимодействуют только друг с другом и с кварками.

На волне успеха с объединением электромагнитного и слабого ядерного взаимодействий был предпринят ряд попыток объединить эти две силы с сильным ядерным взаимодействием и создать так называемую теорию великого объединения. Название несколько претенциозное: созданные теории не такие уж великие и не все объединяют, поскольку не распространяются на тяготение. К тому же это неполные теории, поскольку они содержат ряд параметров, численные значения которых нельзя предсказать в рамках самой теории, а должны подбираться исходя из требования согласия с экспериментом. Но это все же шаг на пути к полной, всеобъемлющей теории. Основная трудность построения теории, объединяющей тяготение с другими видами взаимодействий, состоит в том, что теория тяготения –