77

Гл. 2. Строение материи

—————————————————————————————————————————–

Раздел II.

Основы физических концепций

Глава 2

Строение материи

Физика (греч. physis — природа) —

наука о природе

2.1. Вещество и поле

Следуя традициям, сложившимся в физике, различают два вида материи: вещество и поле. К первому из них относятся атомы, молекулы и все построенные из них тела. Поле — особая форма материи, наделенная реальными физическими свойствами, такими как энергия, импульс и другими. К наиболее известным относятся электромагнитное и гравитационное поля. В классической физике эти два вида материи противопоставляются на том основании, что вещество рассматривается как дискретная, корпускулярная субстанция, а поле — как непрерывная. В макромире это противопоставление имеет под собой вполне надежное обоснование. В микромире же полевые и корпускулярные аспекты объединяются и представляют собой различные проявления единой, принципиально новой сущности микрочастиц. Другими словами, на микроуровне типичные поля, например, электромагнитное, проявляют корпускулярные свойства, и наоборот, частицы, например, электрон, атом могут вести себя как типичные поля, проявляя волновые свойства.

2.2. Уровни организации материи

Древние китайские мудрецы предложили следующий мысленный эксперимент: “Отрезай по половине от метровой трости каждый день — не закончишь и через миллион лет”. Этот эксперимент является подходящей аллегорией к тому, чем занимаются физики в поисках мельчайших составляющих материи.

За время своего развития мы примерно 60 раз “отрезали по половине трости”, достигнув размеров 10–16 см. Примерно на тридцатом шаге (10–8 см) были обнаружены первые гранулы материи — атомы, казавшиеся сначала неделимыми. В дальнейшем выяснилось, что атомы состоят из электронов и ядер. Ядра в свою очередь состоят из нуклонов¹ — нейтронов и протонов. В настоящее время надежно установлено, что нуклоны также не являются простыми неделимыми частицами, а состоят из кварков. Существуют указания на то, что этот процесс будет продолжаться и далее.

Оказалось, что несмотря на свое сложное строение большинство этих “элементарных” частиц являются достаточно стабильными. Это означает, если не предпринимать значительных усилий, направленных на их разрушение, то они остаются неизменными. Например, в подавляющем большинстве окружающих нас явлений атомы сохраняют свою целостность, поэтому они могут очень часто рассматриваться как неизменные кирпичики мироздания.

Микрочастицы могут объединяться, образуя макротела, которые также вполне определенным образом структурированы. Изучение окружающего нас пространства показало, что в нем существует целая иерархия структур, различающихся своими масштабами. К наименьшим космическим объектам относятся планеты, кометы, астероиды. Далее идут звезды и планетные системы. Звезды, в свою очередь объединяясь, образуют галактики, галактики — скопления галактик. Скопления галактик тоже распределены во Вселенной неравномерно, а концентрируются в плоскостях, образуя ячеистую структуру.

Таким образом, окружающий нас мир на всех уровнях имеет выраженную структуру, и одной из основных задач естествознания является выяснение причин устойчивости всех этих структур.

И крепкой цепью сил природы

Весь мир таинственно объят...

Гете

2.3. Фундаментальные взаимодействия

Раздумывая над вопросами, почему Луна движется вокруг Земли не покидая ее, почему Земля в свою очередь движется вокруг Солнца, почему тела падают на Землю, а не наоборот, естествоиспытатели пришли к выводу, что все материальные тела притягиваются друг к другу с силой обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними и назвали эту силу — силой всемирного тяготения или силой гравитации. В гравитационных взаимодействиях участвуют все известные частицы, потому что все они обладают наиболее универсальным свойством — массой. Для жителей Земли большое значение имеет сила притяжения планеты или сила тяжести.

Большинство элементарных частиц имеет электрический заряд, с которым связано так называемое электромагнитное взаимодействие. В природе существует два типа электрического заряда — положительный и отрицательный. Поскольку разноименные электрические заряды притягиваются друг к другу, а одноименные отталкиваются, то оказывается, что макроскопические тела, как правило, являются электрически нейтральными. Это приводит к тому, что на макроскопическом уровне электромагнитные силы не играют заметной роли. По этой же причине в астрономических масштабах электромагнитное взаимодействие звезд пренебрежимо мало, по сравнению с гравитационным: распределение и движение звезд и межзвездной среды определяет только тяготение.

Тем не менее, электромагнитные взаимодействия в нашей жизни играют огромную роль. Именно эти силы ответственны за стабильность атома, они же определяют строение молекул и протекание химических реакций. Хотя атомы электрически нейтральны и на расстояниях в несколько ангстрем практически не взаимодействуют друг с другом, на малых расстояниях электрические взаимодействия между электронами и ядрами атомов становятся значительными, что и приводит к существованию устойчивых молекул. Все окружающие нас макротела состоят из атомов и молекул, поэтому их устойчивость и наблюдаемые свойства также обусловлены электромагнитными силами.

Кроме этого, электромагнитные явления нашли широчайшее применение в технике. Изучив законы электромагнетизма, человечество научилось управлять этими явлениями, что в конечном счете позволило создать электростанции, радио, телевидение, компьютеры и многое другое, чем каждый из нас пользуется ежедневно. Эти достижения коренным образом изменили весь уклад нашей жизни и без них уже невозможно представить современного человека.

После того как стало известно строение атомного ядра, в состав которого входят нейтроны и положительно заряженные протоны, встал вопрос о том, что удерживает от разлета отталкивающиеся друг от друга с огромной силой одноименно заряженные частицы. Те же силы, которые удерживают электрон в атоме должны были бы мгновенно разрушить ядро. Этого, однако не происходит — огромное количество ядер чрезвычайно устойчиво и они могут существовать сколь угодно долго. Для объяснения устойчивости ядер были введены так называемые ядерные силы. Эти силы обеспечивают притяжение между нуклонами, причем значительно более мощное, чем электромагнитное отталкивание. Именно поэтому, данное взаимодействие назвали сильным. В дальнейшем выяснилось, что эти силы обладают очень малым радиусом действия и они практически не проявляются на расстояниях, превышающих размер атомного ядра (1013 см). Другими словами, ядерные силы являются короткодействующими, в противоположность гравитационным и электромагнитным.

Для объяснения некоторых превращений нуклонов, например, распад нейтрона на протон, электрон и нейтрино, точнее антинейтрино, µ §² пришлось ввести еще один вид взаимодействия — слабое.

Слабые силы как и ядерные являются короткодействующими.

Таким образом, согласно современным представлениям, в природе существует всего четыре фундаментальных взаимодействия:

гравитационное

электромагнитное

сильное

слабое

Табл. 1.1.

Вид

взаимодействия

Константа

взаимодействия

Радиус действия

Гравитационное

6.10–39

(

Электромагнитное

1/137

(

Сильное

1

10–13 см

Слабое

10–14

10–15 см

Все встречающи­еся в природе взаимодейст­вия являются проявлением одного из названных взаимодейст­вий или их комбинации. Количественно каж­дое фундаментальное взаимодействие характеризуется безразмерной константой взаимодействия и радиусом действия.

Из таблицы видно, что самым слабым является гравитационное взаимодействие, поэтому в микромире это взаимодействие существенной роли не играет. Тем не менее, ему принадлежит определяющая роль в макропроцессах. Например, движение планет, течение рек полностью определяется гравитационным взаимодействием. Значительно более интенсивным является слабое взаимодействие, безразмерная константа которого на 24 порядка больше, чем у гравитационного. Еще более мощным является электромагнитное взаимодействие.

Из четырех [тел], т.е. огня, воздуха, воды и земли...

весь околоземный мир состоит из этих тел...

Аристотель (Метеорологика)

2.4. Элементарные частицы

Согласно современным представлениям, материя дискретна. Все несметное многообразие окружающих нас макрообъектов обусловлено многообразием возможных сочетаний, сравнительно небольшого числа микрообъектов, таких как электрон, протон, нейтрон и т.д.

Обычно элементарными частицами называют такие частицы, которые не удается расщепить на составные части. В соответствии с этим определением атомы и их ядра не являются элементарными частицами, но таковыми следует считать электроны, протоны и нейтроны. Однако стоит подчеркнуть, что нуклоны не отвечают наивному представлению об элементарности, так как имеют заметные размеры и сложную внутреннюю структуру. Термин “элементарные частицы” также как и многие другие физические термины, не следует воспринимать слишком буквально, поскольку он достался по наследству от прошлых времен, а лучшего пока не придумали.

К широко распространенным элементарным частицам относятся также фотон — частица света и электрически нейтральное нейтрино³. Эта удивительная частица была теоретически предсказана немецким физиком Паули в 1930 году. Нейтрино подвержено только действию слабых сил, поэтому его взаимодействие с веществом оказывается настолько ничтожным, что оно легко проходит сквозь Землю.

Далее было установлено, что каждая элементарная частица имеет двойника — античастицу. Частицы отличаются от соответствующих им античастиц только знаком зарядов, все же количественные характеристики, в том числе и время жизни, абсолютно одинаковые. Это означает, что в системе, состоящей из частицы и античастицы все суммарные заряды равны нулю.

Нейтрино, фотоны, электроны и протоны — стабильные частицы, по крайней мере, согласно современным представлениям время их жизни значительно больше времени жизни Вселенной. Находясь в составе ядра нейтрон живет сколь угодно долго, но свободный нейтрон имеет время жизни примерно равное 20 минутам, затем он распадается. Следует иметь в виду, что продукты распада — протон, электрон и антинейтрино — не являются составными частями нейтрона, а рождаются в момент его распада. Кроме названных, известно еще несколько сотен нестабильных частиц, время жизни которых лежит в интервале от 10–24 до 10–6 с.

Всем элементарным частицам присущи две черты. Во-первых, все частицы, пока существуют остаются неизменными и все частицы одного сорта абсолютно одинаковые, другими словами, — неразличимые. Во-вторых, частицы могут рождаться и исчезать. Например, при столкновении протона и антипротона оба они исчезают, а вместо их образуется несколько фотонов. С другой стороны, при столкновении двух или более достаточно энергичных частиц рождается множество новых. Известны случаи, когда две частицы порождали сотни новых частиц и все они — не осколки столкнувшихся, а полноценные, родившиеся заново частицы.

Существование столь большого количества элементарных частиц требует их классификации. Все частицы разбиты на два класса. К первому классу относятся частицы, участвующие в сильных взаимодействиях, такие частицы назвали адронами. Ко второму классу относятся частицы не участвующие в сильных взаимодействиях — лептоны⁴. В свою очередь лептоны делятся на пары: электрон и нейтрино электронное; мюон и нейтрино мюонное; (-лептон и нейтрино (-лептонное. Электрон, мюон и (-лептон имеют одинаковый электрический заряд, различаются же они прежде всего массой. Мюон тяжелее электрона в 207 раз, а тау-лептон в 3478 раз, то есть тау-лептон тяжелее протона почти вдвое. Конечно, у каждой из этих частиц имеется своя античастица.

Количество адронов оказалось столь большим, что многие физики уже давно предполагали их сложную структуру. Дальнейший ход событий подтвердил эту гипотезу и в настоящее время твердо установлено, что адроны состоят из частиц, называемых кварками. Самое необычное свойство кварков заключается в том, что они существуют только внутри адронов и не наблюдаются как изолированные частицы. В состав нейтрона и протона входят u-кварк и d-кварк. Первый, u-кварк имеет электрический заряд (2/3)e и d-кварк — (–1/3)e, где е — элементарный заряд, равный заряду протона. Протон состоит из трех кварков (u,u,d), нейтрон тоже из трех, но в другой комбинации — (u,d,d). (-мезоны состоят из различных комбинаций двух частиц — кварка и антикварка, например, µ §=µ §. Здесь тильда над символом обозначает соответствующую античастицу. Кварки участвуют в сильных взаимодействиях, что и удерживает их внутри соответствующих частиц.

Причиной сильного взаимодействия кварков является особый заряд, называемый цветом. Только частицы, обладающие цветом могут участвовать в сильных взаимодействиях, в частности, лептоны нейтральны, или бесцветны, и поэтому в сильных взаимодействиях не участвуют. Безусловно, здесь цвет не имеет ничего общего с обиходным представлением об этом понятии. Взаимодействие частиц, обладающих цветом, исключительно своеобразно, а именно: сила взаимного притяжения частиц не уменьшается с ростом расстояния между ними, более того, она нарастает. В результате кварки не наблюдаются в свободном состоянии, потому что их невозможно разъединить. В наблюдаемых адронах цветные заряды трех кварков скомпенсированы. Из этого следует, что существует три различных цвета, три различных заряда. То есть имеется три сорта или цвета каждого кварка u и каждого кварка d. Нумеруя цвета индексами i=1,2,3, получим условие компенсации цвета: в протоне должны присутствовать кварки всех трех цветов p= u1u2d3. С цветными зарядами, как и с электрическими, связано поле, получившее название глюонного.

Оказалось, что кроме пары кварков u и d существует еще две пары: c и s; t и b. Последним был открыт в 1995 году самый тяжелый — t-кварк, масса которого была предсказана теоретически, как и процесс, в котором можно наблюдать его распад. Это является одним из наиболее убедительных свидетельств в пользу того, что мы находимся на правильном пути к пониманию закономерностей, присущих элементарным частицам.

Табл. 2.2.

(e

((

((

e

(

(

u

c

t

d

s

b

Часто говорят, что кварки различных типов отличаются друг от друга своим ароматом. Конечно, никакого отношения к привычному понятию об аромате этот термин не имеет. Слово аромат употребляется здесь как синоним слова тип или сорт. Между кварками различных ароматов и лептонами существует глубокая симметрия. Эту симметрию отражает таблица. Именно, на основе этой симметрии было предсказано существование трех кварков: c-, b- и t-кварков.

Лептоны и кварки называют также фундаментальными частицами, подчеркивая тем самым, что они представляются нам бесструктурными. Всего имеется 24 фундаментальных частиц. Как видно из приведенной таблицы, двенадцать лептонов и кварков разбиваются на три группы или три поколения фундаментальных частиц. Самые легкие частицы образуют первое поколение. В каждом последующем поколении заряженные частицы тяжелее, чем в предыдущем.

Частицы первого поколения вместе с фотонами являются той материей, из которой построена современная Вселенная. Что касаастиц не уменьшается с ростом расстояния между ними, более того, она нарастает. В результате кварки не наблюдаются в свободном состоянии, потому что их невозможно разъединить. В наблюдаемых адронах цветные заряды трех кварков скомпенсированы. Из этого следует, что существует три различных цвета, три различных заряда. То есть имеется три сорта или цвета каждого кварка u и каждого кварка d. Нумеруя цвета индексами i=1,2,3, получим условие компенсации цвета: в протоне должны присутствовать кварки всех трех цветов p= u1u2d3. С цветными зарядами, как и с электрическими, связано поле, получившее название глюонного.

Оказалось, что кроме пары кварков u и d существует еще две пары: c и s; t и b. Последним был открыт в 1995 году самый тяжелый — t-кварк, масса которого была предсказана теоретически, как и процесс, в котором можно наблюдать его распад. Это является одним из наиболее убедительных свидетельств в пользу того, что мы находимся на правильном пути к пониманию закономерностей, присущих элементарным частицам.

Табл. 2.2.

(e

((

((

e

(

(

u

c

t

d

s

b

Часто говорят, что кварки различных типов отличаются друг от друга своим ароматом. Конечно, никакого отношения к привычному понятию об аромате этот термин не имеет. Слово аромат употребляется здесь как синоним слова тип или сорт. Между кварками различных ароматов и лептонами существует глубокая симметрия. Эту симметрию отражает таблица. Именно, на основе этой симметрии было предсказано существование трех кварков: c-, b- и t-кварков.

Лептоны и кварки называют также фундаментальными частицами, подчеркивая тем самым, что они представляются нам бесструктурными. Всего имеется 24 фундаментальных частиц. Как видно из приведенной таблицы, двенадцать лептонов и кварков разбиваются на три группы или три поколения фундаментальных частиц. Самые легкие частицы образуют первое поколение. В каждом последующем поколении заряженные частицы тяжелее, чем в предыдущем.

Частицы первого поколения вместе с фотонами являются той материей, из которой построена современная Вселенная. Что касается частиц второго и третьего поколений, то их роль в современном мире кажется ничтожной. Однако на ранних этапах развития Вселенной эти частицы играли важную роль.

2.5. Как взаимодействуют частицы

Взаимодействие и движение — формы существования материи. Существование любого объекта проявляется через его взаимодействие с другими объектами. Гипотетический объект, который бы не взаимодействовал ни с какими другими телами, никак бы не мог проявить себя, другими словами, информация о нем была бы нулевой, и он для них просто бы не существовал.

Характерным свойством всех фундаментальных взаимодействий является то, что участвующие в них частицы могут взаимодействовать, находясь на значительном расстоянии друг от друга. В связи с этим возникает вопрос: как передается взаимодействие от одной частицы к другой. Как одна частица узнает о присуттоянии?

Согласно современным представлениям, встоянии передается через поле. С каждым зарядом связано специфическое поле, заполняющее окружающее пространство. Например, любая масса порождает вокруг себя гравитационное поле, электрический заряд — электромагнитное поле и так далее. Любая частица, попадая в такое поле, испытывает его воздействие. Сила такого воздействия и является мерой интенсивности поля. Замечательным свойством таких полей является возможность их излучения соответствующим зарядом. Будучи излученным, поле уже существует независимо от излучившего его заряда и может распространятся в виде волн на огромные расстояния, перенося информацию об объекте их породившем. Наиболее изученными являются гравитационное и электромагнитное поля. В отличие от электромагнитных волн, которые не только изучены, но и нашли широкое применение в технике, гравитационные волны предсказаны теоретически, но до сих пор не были зарегистрированы экспериментально. Отсутствие данных о гравитационных волнах связано, как нам сейчас представляется, с тем, что они чрезвычайно слабо должны взаимодействовать с веществом, и современные установки не обладают достаточнчисло фотонов, участвующих в тех или иных процессах. У коротковолнового электромагнитного излучения корпускулярные свойства выходят на первый план и наблюдать волновые свойства, например у (-квантов, становится достаточно сложно.

Из современных теоретических исследований вытекает, что гравитационное взаимодействие переносится гравитоном. Гравитон является безмассовой частицей, движущейся со скоростью света и обладающей спином равным 2. Спин — это внутренняя характеристика элементарной частицы, являющаяся квантовым аналогом вращения частицы вокруг своей оси. Мерой вращения является момент импульса, который в квантовой механике принято измерять в единицах постоянной Планка (. Ее численное значение ћµ § Дж с. Именно это ее значение задает масштаб явлений, в которых квантовые свойства системы становятся важными. Когда говорят, что спин частицы равен 2, то имеют в виду, что внутренний момент импульса частицы равен 2(. Частица испускает гравитон, уносящий импульс и энергию, в силу чего состояние ее движения изменяется. Другая частица поглощает гравитон и также изменяет состояние своего движения. В результате возникает воздействие одной частицы на другую.

Совершенно аналогично осуществляется электромагнитное взаимодействие. Заряженная частица испускает фотон, в силу чего состояние ее движения изменяется. Другая заряженная частица поглощает этот фотон и также изменяет состояние своего движения. В результате, частицы отталкиваются или притягиваются друг к другу. Фотон как и гравитон является безмассовой частицей со спином 1. Именно, благодаря безмассовости переносчиков гравитационного и электромагнитного взаимодействия, эти взаимодействия являются дальнодействующими.

Слабое взаимодействие ответственно, прежде всего, за превращение одних элементарных частиц в другие. Наиболее известный пример проявления слабого взаимодействия — это бета-распад нейтрона µ §. Здесь µ § — нейтрон, µ § — протон, µ § — электрон, — электронное антинейтрино. Слабое взаимодействие является короткодействующим. Это значит, что слабое взаимодействие начинает проявляться, если частицы находятся достаточно близко друг к другу. Проблема экспериментального выявления переносчиков слабого взаимодействия оказалась чрезвычайно сложной и ее удалось решить совсем недавно, хотя теоретически эти переносчики и их свойства были предсказаны значительно раньше. Согласно современным представлениям, переносчиками слабого взаимодействия являются так называемые и — бозоны. Их также называют векторными бозонами. Индекс указывает величину электрического заряда в единицах заряда протона. Эти частицы обладают спином равным 1 и большой, по меркам микромира, массой, равной по порядку величин ста массам протона. Большая масса этих частиц являлась основным препятствием на пути их регистрации в экспериментах. Кроме того, большая масса покоя переносчиков слабого взаимодействия приводит к тому, что оно является исключительно короткодействующим, так как радиус взаимодействия обратнопропорционален массе частиц переносчиков.

Как уже отмечалось, в сильных взаимодействиях участвуют только адроны — частицы, состоящие из кварков. Взаимодействие между адронами есть проявление взаимодействия между входящими в них кварками. Таким образом, чтобы понять как взаимодействую адроны, нужно понять как взаимодействуют кварки. Согласно существующей теории сильных взаимодействий, получившей название квантовой хромодинамики, переносчиками сильного взаимодействия являются элементарные частицы — глюоны. Глюоны — безмассовые частицы со спином 1, обладающие цветом. Напомним, что цветом называют особый заряд, ответственный за сильные взаимодействия. Всего существует восемь типов глюонов. Взаимодействие адронов представляется следующим образом. Кварк, входящий в состав адрона, испускает глюон, в силу чего состояние движения адрона меняется. Этот глюон поглощается кварком, входящим в состав другого адрона, и меняет его состояние движения. В резу.2 µ § — электронное антинейтрино. Слабое взаимодействие является короткодействующим. Это значит, что слабое взаимодействие начинает проявляться, если частицы находятся достаточно близко друг⁵к другу. Проблема экспериментального выявления переносчиков слабого взаимодействия оказалась чрезвычайно сложной и ее удалось решить совсем недавно, хотя теоретически эти переносчики и их свойства были предсказаны значительно раньше. Согласно современным представлениям, переносчиками слабого взаимодействия являются так называемые EMBED Equation.2 µ § и EMBED Equation.2 µ § — бозоны. Их также называют векторными бозонами. Индекс указывает величину электрического заряда в единицах заряда протона. Эти частицы обладают спином равным 1 и большой, по меркам микромира, массой, равной по порядку величин ста массам протона. Большая масса этих частиц являлась основным препятствием на пути их регистрации в экспериментах. Кроме того, большая масса покоя переносчиков слабого взаимодействия приводит к тому, что оно является исключительно короткодействующим, так как радиус взаимодействия обратнопропорционален массе частиц переносчиков.

Как уже отмечалось, в сильных взаимодействиях участвуют только адроны — частицы, состоящие из кварков. Взаимодействие между адронами есть проявление взаимодействия между входящими в них кварками. Таким образом, чтобы понять как взаимодействую адроны, нужно понять как взаимодействуют кварки. Согласно существующей теории сильных взаимодействий, получившей название квантовой хромодинамики, переносчиками сильного взаимодействия являются элементарные частицы — глюоны. Глюоны — безмассовые частицы со спином 1, обладающие цветом. Напомним, что цветом называют особый заряд, ответственный за сильные взаимодействия. Всего существует восемь типов глюонов. Взаимодействие адронов представляется следующим образом. Кварк, входящий в состав адрона, испускает глюон, в силу чего состояние движения адрона меняется. Этот глюон поглощается кварком, входящим в состав другого адрона, и меняет его состояние движения. В результате, возникает взаимодействие адронов друг с другом.

Отличительная черта кварк-кваркового взаимодействия состоит в том, что с уменьшением расстояния между ними, их взаимодействие ослабевает. Это явление получило название асимптотической свободы, следствием которой является возможность рассматривать кварки внутри адронов как свободные частицы. Другой особенностью является то, что взаимодействие между кварками увеличивается с ростом расстояния между ними. Вследствие этого нельзя разделить две частицы, обладающие цветом. В результате, кварки и глюоны оказываются ненаблюдаемыми в свободном виде. Наблюдаемыми являются только бесцветные комбинации этих частиц. Явление удержания элементарных частиц, обладающих цветом, внутри адронов получило название конфайнмента.

Почти очевиден факт, что на квантовом уровне все взаимодействия ведут себя аналогично. Одна частица испускает другую частицу — переносчик взаимодействия, которую поглощает третья частиц. Это и приводит к взаимодействию первой и третьей частиц. Далее возникает вопрос, насколько глубока эта аналогия. Не имеют ли все фундаментальные взаимодействия единую природу? Многие современные физики считают, что имеется лишь одно фундаментальное взаимодействие, которое проявляет себя по разному в сильных, слабых, электромагнитных и гравитационных взаимодействиях. Это мнение основано не только на вере в то, что мир устроен гораздо красивее, чем нам представляется сейчас, но и на уже имеющихся фактах. Уже создана и является общепризнанной теория электрослабого взаимодействия — теория Вайнберга-Салама-Глэшоу, объясняющая с единых позиций все аспекты электромагнитных и слабых взаимодействий. Согласно этой теории, в области низких энергий электромагнитное и слабое взаимодействия отделены и не влияют друг на друга. При увеличении энергии начинается их взаимное влияние, при достаточно больших энергиях эти взаимодействия сливаются в единое электрослабое взаимодействие. Энергия, при которой происходит объединение этих взаимодействий огромна, поэтому электромагнитное и слабое взаимодействия не проявляют своей единой природы в обычных физических явлениях.

Работа, направленная на развитие теорий, объединяющих все большее число взаимодействий, продолжается достаточно интенсивно. Уже созданы модели единой теории сильного, слабого и электромагнитного взаимодействия, получившие название моделей великого объединения. Энергия, при которой все эти взаимодействия объединяются в одно, оказалась настолько большой, что прямое экспериментальное исследование великого объединения кажется проблематичным даже в отдаленном будущем. Сохраняются, однако, надежды на получение косвенных подтверждений этой теории, предсказывающей конечное время жизни протона и существования магнитного монополя.

Распространение идеи объединения и на гравитацию встречается с огромными трудностями и, хотя разработаны такие очень интересные теории, как супергравитация, теория струн, многим исследователям представляется, что построение единой теории всех фундаментальных взаимодействий неосуществимо в рамках имеющихся в настоящее время представлений.

2.6. Физический вакуум

Концепции квантовой механики радикальным образом изменили представления о том, как устроен окружающий нас мир. Но, возможно, более всего эти концепции изменили наши представления о пустоте или, другими словами, о вакууме. До создания квантовой механики пространство представлялось вместилищем для всех материальных тел. Оно может быть заполнено веществом или полем, а может быть и пустым. Эту пустоту и называли вакуумом.

Хорошо известно, что классическая механика допускает состояния полного покоя, например, маятник может колебаться, но может и покоиться. Квантовая же механика не допускает состояний полного покоя. Квантовый маятник только при больших амплитудах колебаний (когда для его описания применима классическая механика) похож на классический. По мере того, как энергия колебаний маятника уменьшается, в его поведении все больше проявляются квантовые свойства. Одним из этих свойств является то, что энергию колебаний н⁶льзя уменьшить до нуля. То есть, существудставлениям, вакуум совсем не похож на пассивное, безмолвное вместилище для материальных объектов, а скорее напоминает бурлящий океан.

А не мог ли вакуум породить когда-то Вселенную в целом, как он рождает частицы сегодня? Действительно, такие гипотезы весьма активно обсуждаются, и пока не обнаружены их противоречия с какими либо фундаментальными законами природы.