Единство сил природы

Известно четыре типа сил, действующих между элементарными частицами и тем самым определяющих все явления природы. Это гравитационное (см. Тяготение), слабое, электромагнитное и сильное взаимодействия. Два из них — гравитационное и электромагнитное — известны давно. Их радиус действия неограничен, и поэтому они проявляются не только между элементарными частицами, но и в окружающих нас макроскопических телах. Гравитационное взаимодействие доминирует в небесной механике. Электромагнитное взаимодействие, хотя оно и намного сильнее, не может с ним тут конкурировать, поскольку обычно макроскопические тела не заряжены. Электромагнитное взаимодействие преобладает внутри вещества. Это оно определяет химические связи, излучение света, намагничивание, — словом, все явления, наблюдаемые в молекулах и атомах. Гравитационное взаимодействие здесь не сказывается из-за его малой силы, а слабое и сильное взаимодействия — из-за их короткого радиуса действия.

Внутри атомного ядра проявляются сильное и слабое взаимодействия. Сильное взаимодействие скрепляет нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре и кварки внутри нуклонов. Эта вторая — основная — роль сильного взаимодействия выяснилась сравнительно недавно. Что касается слабого взаимодействия, то оно вызывает переходы между разными типами кварков и, в частности, определяет β-распады нуклонов в ядрах. При β-распаде один из трех кварков, составляющих нуклон, переходит в кварк другого типа и излучает электроны и антинейтрино (см. Бета-распад).

Слабые взаимодействия вызывают также взаимные переходы между различными типами лептонов, например распад мюона на электрон, нейтрино и антинейтрино.

Трудно сравнивать силы, по-разному зависящие от расстояния. Однако если выбрать конкретное расстояние, то можно сравнить потенциальные энергии, соответствующие различным силам. Так, для внутриядерного расстояния 10⁻¹⁴ см потенциальные энергии сильного, электромагнитного, слабого и гравитационного взаимодействий относятся как 1 : 10⁻²: 10⁻⁵: 10⁻³⁸.

Физики пытаются уловить связь между силами природы. Выяснилось, что электромагнитное и слабое взаимодействия связаны друг с другом. За обнаружение этой связи — теорию электрослабых сил — Ш. Глэшоу, С. Вайнберг и А. Салам получили в 1979 г. Нобелевскую премию. Теорию электрослабых сил нельзя считать полностью доказанной, но основная ее идея проверена многочисленными опытами. Эта идея сводится к тому, что электромагнитное поле является частью более общего электрослабого поля, состоящего из нескольких форм, или компонент. Всего компонент в четыре раза больше, чем в электромагнитном поле. Элементарные частицы — кварки и лептоны — излучают и поглощают кванты электрослабого поля, которыми являются уже известные фотоны и новые частицы, так называемые промежуточные или векторные бозоны W⁺, W⁻, Z⁰ — массивные частицы со спином 1. Они имеют огромную массу, в 100 раз больше нуклонной. Промежуточные W⁺₋  − бозоны были обнаружены в опытах на встречных протон-антипротонных пучках при колоссальной полной энергии, превышающей 500 ГэВ. Их масса (M_W « 80 ГэВ) очень хорошо согласуется с предсказаниями электрослабой теории. Таким образом, получено новое убедительное доказательство единства электромагнитных и слабых взаимодействий.

Вернемся к нашему путешествию в глубь микромира. Радиус действия слабых сил приблизительно 10⁻¹⁶ см. На этом масштабе они объединяются с электромагнитными силами, а на меньших масштабах электрослабые поля неразделимы, подобно электрическому и магнитному полю быстро движущегося заряда.

Что же происходит дальше? Тут начинается область гипотез. Согласно большинству из них, электрослабые взаимодействия объединяются с сильными приблизительно на масштабе 10⁻³⁰ см. Пока трудно представить себе эксперименты на таких малых масштабах. Соответствующая энергия 10¹⁶ ГэВ вообще не может быть достигнута на ускорителе. (О соотношении между энергией пробной частицы и размером области взаимодействия см. в ст. Ускорители заряженных частиц.)

Однако решающий эксперимент для проверки этого, так называемого Великого объединения может быть проведен в ближайшие годы. Дело в том, что почти неизбежным следствием Великого объединения является нестабильность протона.

Это процесс совершенно нового типа, при котором в нуклонах происходят уже не переходы одних кварков в другие, как при β-распаде, а превращения кварков в антикварки и лептоны. Оказывается нарушенным закон сохранения барионного заряда. Вероятности таких превращений, конечно, очень малы, иначе просто не существовали бы ни мы сами, ни окружающая нас ядерная материя — она бы рассыпалась на более легкие частицы.

По теоретическим оценкам, время жизни протона должно составлять 10³⁰ — 10³⁴ лет. Это намного больше, чем возраст Вселенной. Но даже такие крайне редкие процессы можно попытаться обнаружить. Для этого создаются детекторы протонных распадов, содержащие несколько тысяч и даже десятки тысяч тонн вещества (т. е. 10³³ — 10³⁴ нуклонов). Для защиты от фона космических лучей такие установки помещают глубоко под землей и окружают специальной охранной системой из вспомогательных счетчиков. Тогда за время порядка 1 года можно надеяться зарегистрировать несколько протонных распадов. Эксперименты проводятся. Но пока они позволили только установить, что время жизни протонов превышает 10³¹ лет.

Другое вероятностное следствие Великого объединения — это существование «монополей», одиночных магнитных зарядов. Их масса должна быть фантастически велика. Опыты по обнаружению космических «монополей» сейчас ведутся. Однако, как и для поисков распада протона, с выводами надо еще подождать.

А. Эйнштейн предполагал возможность объединения электромагнитного взаимодействия с гравитационным. Теперь, имея в виду объединение электромагнитного взаимодействия со слабым и, возможно, сильным взаимодействиями, это будет, можно сказать, Суперобъединение — все четыре силы природы сводятся к одной, исходя из какого-то фундаментального принципа. В последнее время все чаще высказывается мысль, что этот принцип геометрический, как и принцип общей теории относительности.

Итак, физики стремятся найти единое объединение всем силам природы. Довольно много уже удалось сделать, но еще больше предстоит.