мощные, чем электромагнитные. Именно поэтому ядра в триллион раз плотнее

атомов.

После открытия мезона (это было еще до войны), открытия новых

элементарных частиц посыпались как из рога изобилия. Редкий месяц не

приносил какой-либо новой частицы. Скоро их число перевалило за сотню. Но

мот что важно: кроме электрона, протона и нейтрона в атоме больше нет

никаких частиц. Зачем же тогда нужны остальные и почему их так много? Еще

один сложный вопрос физики.

Элементарные частицы нельзя разделить на более простые части (именно

поэтому их и назвали «элементарными»). В любых известных сегодня реакциях

эти частицы лишь переходят друг в друга - взаимопревращаются. Причем из

легких могут родиться более тяжелые частицы - если они движутся с

достаточной скоростью (кинематическая энергия переходит в массу!)

Из элементарных частиц, как из кирпичиков конструктора, можно

построить весь окружающий мир во всей его красоте и многообразии. Как

сильно они не похожи друг на друга! Каких только здесь нет пород, гибридов

и монстров! Элементарные частицы различаются по заряду, спину, массе,

времени жизни и так далее. Например, время жизни протона больше времени

жизни Вселенной, а ро-мезон живет 10 в -23 степени секунд. Масса фотонов и

нейтрино равна нулю, а масса еще не открытого, но предсказанного

теоретиками максимона (самой тяжелой элементарной частицы, которая только

может существовать) - что-то около микрограмма - как у крупной, видимой

глазом пылинки. Такой мастодонт и элементарным назвать неудобно.

Итак, целая россыпь, сотни элементарных частиц! Когда смотришь на

это, то первое что хочется сделать, это хоть как-то привести их в порядок,

выделить «наиболее элементарные», из которых можно сделать все остальные.

Этому и отдали дань самые известные и талантливые физики. И ничего не

вышло: оказалось что все частицы в равной степени элементарны. Однако их

можно разбить на семейства, и членов каждого рассматривать как различные

состояния одной и той же частицы. Семейства объединяются в более сложные

группы - кланы, или мультиплеты. Но главное - мультиплеты связаны

определенными правилами симметрии. В целом получается что-то вроде

периодической таблицы элементарных частиц, наподобие Менделеевской. Можно

предполагать, физики нащупали следующий ярус строения материи.

Большую роль в развитии знаний сыграли ускорители элементарных

частиц. Электронное просвечивание показало, что протон на самом деле не

точка, а довольно крупный объект радиусом около 10 в -13 степени

сантиметров. Анализируя результаты новых опытов по рассеянию электронов,

ученые сделали вывод, что нуклоны являются роем каких-то очень мелких

частичек, которые при меньшем увеличении выглядят как сгусток

накладывающихся и проникающих друг в друга мезонов и других элементарных

частиц. Теоретики, занимавшиеся классификацией частиц, обрадовались, так

как уже давно догадывались о существовании таких частиц, только называли их

по-своему: кварки.

Когда кварки замелькали на страницах теоретических статей, многие

ученые считали их всего лишь неким курьезом, временными строительными

лесами на пути к более совершенной теории. Однако не успели физики

оглянуться, как оказалось, что с помощью кварков очень просто и наглядно

объясняются самые различные экспериментальные факты, а теоретические

вычисления сильно упрощаются. Без кварков стало просто невозможно обойтись,

также как без молекул и атомов.

с помощью кваркового конструктора можно построить всю таблицу

элементарных частиц - иногда простым сложением, а иногда придавая

дополнительное вращение «частям» уже построенных частиц. Единственное, что

смущало - то, что никто не мог обнаружить кварки в свободном виде. Поиск

свободных кварков стал главной задачей физики. На решение этой задачи была

брошена вся мощь современного эксперимента. Кварки искали и среди потоков

частиц, образующихся в ускорителях, и среди космических лучей, но...

никаких следов не было!

Опыты по зондированию нуклона доказали, что в центре элементарной

частицы кварки почти не связаны взаимодействием и ведут себя как плавающие

в воздухе воздушные шарики. Если же они попытаются разойтись, то сразу же

возникают стягивающие их силы. На периферии кварки могут находиться лишь в

форме связанных сгустков - например, в виде пи-мезонов, что согласуется с

теорией ядерного взаимодействия на основе мезонов. Но как взаимодействуют

друг с другом кварки? Так как другого способа организовать взаимодействие,

чем посредством передачи частицы-носителя взаимодействия, наука не знает,

то были предложены глюоны - склеивающие кварки частицы. Глюоны похожи на

фотоны, только с зарядом. Фотон никакого поля вокруг себя не создает,

поэтому наибольшую интенсивность поле имеет возле своего источника -

заряда, дальше оно постепенно рассеивается и ослабевает. Глюон же своим

зарядом рождает новые глюоны, те в свою очередь - следующие и так

далее.поэтому глюонное поле не ослабевает, а наоборот, возрастает при

удалении от породившего его кварка. Удаляющийся кварк, как пеной обрастает

новыми глюонами и их связь становится более сильной. А «голые» кварки в

центре частицы - очень легкие образования, их масса в сто раз меньше

нуклонной. Оказывается, элементарные частицы состоят в основном из

глюонного клея!

Важное следствие из теории кварков - это возможный распад протона.

Этот вывод несколько пугает. Получается что все вокруг радиоактивно и с

течением времени должно распасться все - все атомы мира. Однако сильно

опасаться нам нечего. Расчет говорит, что протоны распадаются крайне редко.

В стакане воды один распад происходит за десять тысяч лет. Но если взять

установку большой величины, то и такое редкое событие можно

зарегистрировать. Успех эксперимента будет веским доказательством того, что

наши представления о глубинах микромира правильны. Результат опыта будет

также очень важен и для астрономов, и для философов - ведь от его исхода

зависят предсказания дальнейшей эволюции и судьбы окружающего нас мира.

Окружающий мир - что может быть интереснее и захватывающее истории

его возникновения, развития, строения и существования? Ныне Вселенная

раскрывает свои тайны, загадки таинственного мира фундаментальной физики.

Цель поисков ученых превосходит самое смелое воображение: речь идет ни

больше и не меньше как о «ключе» к Вселенной. Впервые за всю историю

человечества мы располагаем разумной научной теорией всего сущего. Это

поистине революционный беспримерный прорыв в нашем понимании окружающего

мира, который оставит глубокий след в развитии представлений человека о

Вселенной и его места в ней.

Важнейший вопрос физики - вопрос о взаимодействиях. Если бы не

взаимодействия, то частицы материи двигались бы независимо, не подозревая о

существовании других частиц. Благодаря взаимодействиям частицы обретают как

бы способность распознавать другие частицы и реагировать на них, благодаря

чему рождается коллективное поведение. Поскольку вся материя состоит из

частиц, для объяснения природы сил необходимо в конечном счете обратиться к

физике элементарных частиц. Сделав это, физики обнаружили, что все

взаимодействия, независимо от того, как они проявляются в больших

масштабах, можно свести к четырем фундаментальным типам: гравитационному,

электромагнитному и двум типам ядерных.

На уровне кварков доминируют ядерные взаимодействия. Сильное взаимодействие

связывает кварки в протоны и нейтроны и не дает ядрам разваливаться. На

уровне атомов преобладает электромагнитное взаимодействие, связывающее

атомы и молекулы. В астрономических масштабах господствующим становится

гравитационное взаимодействие.

В последние годы физики заинтересовались соотношением между четырьмя

фундаментальными взаимодействиями, которые в совокупности управляют

Вселенной. Существует ли между ними какая-либо связь? Не являются ли они

всего лишь различными ипостасями единственной основополагающей суперсилы ?

Если такая суперсила существует, то именно она представляет собой

действующее начало всякой активности во Вселенной - от рождения субатомных

частиц до коллапса звезд. Разгадка тайны суперсилы невообразимо увеличила

бы нашу власть над природой и даже позволила бы объяснить само «сотворение»

мира.

Мы уже знаем, что элементарные частицы взаимодействуют друг с другом

посредством других частиц, которые она непрерывно испускает и поглощает.

Слои этих частиц экранируют заряды, поэтому частица с различных высот до

нее выглядит заряженной по-разному. Именно так, всегда различно

заряженными, видят друг друга сталкивающиеся частицы. Чем больше их

энергия, тем глубже они проникают друг в друга и тем отчетливее ощущают

«дыхание» их центральных неэкранированных зарядов. Поэтому можно ожидать,

что с ростом энергии различные типы взаимодействий будут становиться все

более похожими и при высоких энергиях сольются в одно-единое взаимодействие

- суперсилу. Произойдет «великое объединение» всех сил природы.

Реальное положение дел несколько сложнее. Экранирующие облака образуются не

только вокруг заряда, но и вокруг каждой частички-переносчика, которыми

прощупывают друг друга сталкивающиеся частицы. Если переносчики

взаимодействия очень тяжелые, то взаимодействие переносится на ультрамалые

расстояния. Вдали от центра такие частицы почти не встречаются и связанное

с ними взаимодействие проявляется очень слабо. В других случаях переносчики

легкие (например, фотоны), они способны далеко уйти от испустившего их

заряда, и с их помощью происходит взаимодействие на больших расстояниях.

Таким образом, не только частицы, но и силы, связывающие их, оказываются

необычайно сложными. Простейшими точками их уже никак не назовешь! И трудно

поверить, что сила тяготения двух электронов и в миллиарды миллиардов

большая сила их электромагнитного отталкивания - ветви одного дерева.

К идее «великого объединения» физики пришли совсем недавно - каких-нибудь

двадцать-тридцать лет назад, хотя первый шаг сделали еще Фарадей и

Максвелл, объединившие электричество и магнетизм, которые как тогда

считалось, совсем разные взаимодействия. Они же ввели и понятие «поля».

Фарадей доказал, что электричество и магнетизм - два компонента одного и

того же электромагнитного поля.

Следующий шаг на пути к «великому объединению» был значительно более

трудным. Он был сделан лишь в середине 60-х годов ХХ века. Внимание физиков

привлекло тогда слабое взаимодействие. оно обладало странной особенностью:

для всех других сил можно указать промежуточное поле, кванты которого

служат переносчиком взаимодействия, а в распадных процессах частицы

«разговаривают» так сказать, напрямую, без всяких посредников, толкая друг

друга как бильярдные шары.

Естественно предположить, что в этом случае тоже происходит обмен

между частицами, но только такими тяжелыми, что весь процесс происходит на

очень малых расстояниях, и со стороны это выглядит как будто частицы просто

толкают друг друга.

Расчеты показали: если бы не большая масса промежуточных частиц, то

такое взаимодействие по своим свойствам было бы очень похожим на

электромагнитное. И вот трое физиков: Абдус Салам, Стив Вайнберг и Шелдон

Глешоу допустили, что фотон и тяжелые промежуточные частицы слабого

взаимодействия - это одна и та же частица, только в разных «шубах».

Разработанную ими теорию стали называть «электрослабой», поскольку она, как

частный случай, содержит электродинамику и старую теорию слабых

взаимодействий. Вскоре на ускорителях были выловлены тяжелые кванты

электрослабого поля - три брата-мезона с массой, почти в сто раз больше

протонной. Создание теории электрослабого поля и экспериментальное открытие

его переносчиков было отмечено сразу двумя Нобелевскими премиями.

Вдохновленные открытием электрослабого поля, физики увлеклись новой

идеей дальнейшего объединения - слияние сильного взаимодействия с

электрослабым. Суть этой идеи в следующем. Каждый кварк обладает аналогом

электрического заряда, названный цветом. В отличие от заряда, видов цветов

у кварка - три. Поэтому глюонное поле более сложное. Оно состоит из восьми

составляющих силовых полей. В типичном адроне - протоне или нейтроне -

комбинация трех кварков - красного, зеленого и синего - всегда имеет

«белый» цвет. Испускаемые глюоны содержат пары кварк-антикварк, поэтому они

тоже «бесцветны». Так как мы знаем, что при взаимодействиях частиц

происходит экранировка их зарядов, то это и приводит к тем эффектам

различия в дальности взаимодействий различных видов частиц. Оценка

расстояния, при котором все взаимодействия становятся сравнимы по величине,

составляет около 10 в -29 степени сантиметров. По сравнению с величиной

протона это все равно что пылинка по сравнению с солнечной системой.

Переносчик взаимодействия - Х-частица - обладает массой, равной примерно 10

в 14 степени масс протона. На протяжении того ничтожного отрезка времени,

какой существует Х-частица, энергия и масса имеют громадную

неопределенность. Для прямого зондирования этой Лилипутии придется

построить ускоритель величиной с Солнечную систему. Вряд ли это удастся

осуществить в ближайшем будущем, и в этом отношении мы похожи на Демокрита

и других греческих философов, которые размышляли о свойствах атомов, не

имея ни малейшей надежды хоть когда-нибудь увидеть их.

Физика пленяет в значительной степени тем, что она объясняет мир с

помощью вещей, которых мы не только не видим, но которые вообще не

поддаются представлению, сколько бы мы не напрягали воображение. Взять хотя

бы тот же самый корпускулярно-волновой дуализм частиц. Некоторых подобная

абстрактность раздражает и даже пугает. Других она наоборот, привлекает

своей мистикой, кажется им чем-то вроде религии, а физики - верховными

жрецами. Поклонники научной фантастики стремятся найти в новой физике

богатый кладезь «странных идей».

Классический пример такой идеи дал в 1915 году Альберт Эйнштейн,

опубликовав свою поистине эпохальную теорию относительности. Эта теория

отличается крайним радикализмом. Она не только смела махом ньютоновскую

теорию гравитации и механику, но и разрушила представление о гравитации как

о силе. Эйнштейн уверенно провозгласил: гравитация - геометрия

искривленного пространства. Все частицы двигаются по кратчайшему пути в

искривленном гравитацией пространстве и поэтому их траектории кажутся не

прямыми, и воспринимается это все как некая действующая сила.

Теодор Калуца, опираясь на эту теорию, обосновал электромагнетизм как

геометрию дополнительного пятого пространственного измерения. И создалось

впечатление, что вообще всю материю - все частицы и тела - можно

рассматривать как проявление каких-то геометрических свойств пустого

пространства: его кривизны, кручения. Самозамыкания и так далее. Эйнштейн

писал, что теперь есть возможность считать пространство более первичным и

фундаментальным, чем материя. Какие тут открылись возможности для

философии! Ведь встают интереснейшие проблемы - кофликт пространства как

способа существования материи и материи как способа существования

пространства. Первичность геометрии и математики - возрождение учения

Пифагорейцев - в мире нет ничего, кроме чисел. И прочее, и прочее, и

прочее.

Таким образом, фундаментальные заряды представляют собой проявления

различных размерностей пространства. Современная теория склоняется к мысли,

что их наиболее вероятное число - 11. Но непосредственно мы можем видеть

лишь три, потому что остальные свернуты в точку. Эта точка имеет вид

семимерной гиперсферы диаметром порядка 10 в -32 степени сантиметров. На

этом расстоянии мир поразительно упрощается: полностью объединяются все

взаимодействия в одну единую Суперсилу, а 10 пространственных измерений

оказываются полностью равноправными. Для достижения такой силы нужно

обладать массой 10 в 19 степени масс протона. А чтобы разогнать протон до

такой массы, требуется ускоритель размером с Млечный Путь (около ста тысяч

световых лет).

Обрести власть над суперсилой - значит обрести власть над природой,

поскольку она порождает в конечном счете все взаимодействия и физические

объекты, является первоосновой всего сущего. Овладев суперсилой, можно не

только создавать или превращать частицы, генерируя новые экзотические формы

материи, но и манипулировать размерностью самого пространства. Вообще

говоря, так и случилось 18 миллиардов лет назад, когда был создан наш мир.

Тогда в результате Большого Взрыва на короткое мнгновение высвободилась

Суперсила, которая и породила нашу Вселенную.

Объяснять, чем был вызван Большой Взрыв - это уже непосредственно не

только задача физики, но и философии. Ведь физика изучает материальную

реальность не зависящую от сознания человека, а изучать происхождение

реальности независимо от предположения существования сознания нельзя,

потому что может оказаться, что реальность как раз и создана чьим-либо

сознанием, подобно тому как человек придумывает в своем сознании различные

миры. Вполне может оказаться, что наш мир существует, скажем, в воображении

Бога, что кстати не так уж и маловероятно. Само строение мира, его

рациональность, красота, симметрия указывают на то, что существует

«космический план»! Если природа столь искусна, что может использовать

средства, изумляющие своей изощренностью, то не служит ли это убедительным

доказательством разумного построения всей физической Вселенной?

[pic]

На этот вопрос можно смело ответить - да. И вот почему. Потому что

если сказать, что она создана ни для чего, это звучит по меньшей мере

глупо. Значит, она для чего-то создана. А раз так, значит она создана кем-

то, по чьей-то цели. Раз мы живем в ней, то можно предположить, что она

создана для нас (опять-таки, логически рассуждая, было бы странно сказать,

что мы созданы для нее - интересно, зачем бы мы были ей нужны). Ну, а зачем

существуем мы - на это тоже можно ответить очень просто. Ни для чего -

звучит глупо - не может быть такой сложный и совершенный организм быть

создан ни для чего. Для несчастья - звучит еще глупее. Значит остается

только одно - мы созданы для счастья. И в это нужно верить всегда, что мы

существуем для счастья - радости общения друг с другом, восторга и

восхищения природой, ее красотой. Потому что не верить в это тоже глупо -

зачем тогда жить?

Страницы: 1, 2