151
300 000 км/с – это всем известная скорость света, которая, как выяснилось, крайне велика, но ограничена.
Каждое физическое поле имеет минимальные порции своей энергии, т. е. характеризуется не только волновыми свойствами, но и условно дискретной структурой (принцип квантововолнового дуализма). Такая минимально возможная порция энергии конкретного физического поля называется квантом. Например, квантами электромагнитного поля являются фотоны. Когда электрически заряженные частицы обмениваются между собой фотонами, т. е. испускают и поглощают кванты электромагнитного поля, то это приводит к появлению самого электромагнитного поля вокруг них. Подобным образом выглядит физический механизм осуществления и других фундаментальных взаимодействий. Однако каждое из них имеет свои собственные кванты, т. е. частицы-переносчики взаимодействия (силы).
Рассмотрим немного подробнее каждое из фундаментальных взаимодействий, принимая во внимание представления, характерные для неклассической физики ХХ в.
Гравитация (сила тяготения) проявляется как сила притяжения между физическими телами, имеющими массу покоя. Более тяжелое тело всегда притягивает относительно легкое. Чем больше масса тела – тем выше сила гравитации, связанная с этим телом. Тем не менее, не только массивные тела, но и крайне незначительные по массе частицы являются источниками гравитации и испытывают на себе действие тяготения от других тел.
Гравитация, по всей видимости, – это самая универсальная и очень дальнодействующая природная сила. В космосе она распространяется на многие миллионы километров. Вместе с тем было установлено, что интенсивность гравитации более чем в миллиард раз ниже силы взаимодействия электрических
152
зарядов. Теоретически предполагаемая частица-переносчик силы тяготения называется гравитоном. Но экспериментально ее обнаружить до сих пор не удалось.
Сила тяготения начала изучаться наукой намного раньше других фундаментальных взаимодействий. Первая научная теория тяготения была разработана английским физиком Исааком Ньютоном в XVII в. Ее основу составил открытый им закон всемирного тяготения. В начале ХХ в. немецким физиком Альбертом Эйнштейном была создана новая – релятивистская теория гравитации, которая вошла в науку под названием общая теория относительности (ОТО). Теория тяготения Ньютона рассматривалась в теории относительности Эйнштейна как частный случай более общих закономерностей.
Где же проявляется сила гравитации помимо земного притяжения? Великое множество космических объектов и систем существуют благодаря силам притяжения. Например, без действия сил гравитации Луна покинула бы земную орбиту, а планеты Солнечной системы утеряли бы связь с Солнцем и разлетелись по безбрежным космическим просторам. Даже существование таких гигантских звездных скоплений, как галактики, связано с мощными силами гравитации, удерживающими миллиарды звезд, планет, астероидов и комет в пределах ограниченного участка космоса.
Электромагнитное взаимодействие осуществляется между телами, имеющими электрический заряд. Еще в Новое время было установлено, что существуют положительные и отрицательные электрические заряды. Тела, имеющие одноименные заряды (только положительные или только отрицательные), испытывают действие силы взаимного отталкивания. Тела, имеющие разноименные заряды (положительный и отрицательный), испытывают действие силы взаимного притяжения. Наименьшей
153
единицей электрического заряда является заряд электрона (исключение составляют кварки, имеющие дробный электрический заряд). Квантом электромагнитного поля является электрически нейтральный фотон. Он же выступает и переносчиком электромагнитного взаимодействия.
Благодаря электромагнитным силам электроны и атомные ядра соединяются в атомы, а атомы соединяются в молекулы. Многие физические явления макромира имеют в своей основе действие электромагнитных сил: видимый свет, слышимый звук, поверхностное натяжение воды, вспышка молнии, механическое трение, сила упругости и др. Почти все химические и биологические процессы тоже связаны с электромагнитными взаимодействиями.
При ускоренном движении частиц электромагнитное поле может как бы отрываться от них и распространяться в пространстве в виде электромагнитных волн. Такие волны имеют различную частоту и проникающую способность. В современной науке и технике выделяют следующие основные разновидности электромагнитных волн: радиоволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение, гамма-излучение. Причем радиоволны среди них – самые длинные и одновременно самые низкочастотные. Гаммаизлучение имеет самую короткую длину волны, но самую высокую частоту. Высокочастотные волны обладают большой энергией и мощной проникающей способностью, вследствие чего они опасны для человеческого организма. Например, гаммаизлучение является одним из сопутствующих компонентов взрыва атомной бомбы.
Электромагнитные поля уже неплохо изучены наукой и широко используются в современной технике. Подавляющее большинство приборов, промышленных и бытовых технических
154
устройств основано на использовании электромагнитных сил (телефоны, компьютеры, телевизоры, приборы освещения, электропечи, электродвигатели и т. д.). По дальности своего действия эти силы уступают гравитации. Тем не менее, например, электромагнитное поле Земли распространяется далеко в космос за пределы земной атмосферы, а электромагнитное поле Солнца оказывает мощное воздействие на всю Солнечную систему.
Слабое ядерное взаимодействие существует только на уровне атомного ядра, размеры которого исчисляются менее чем миллиардными долями миллиметра, и связано с процессами распада микрочастиц. Одним из таких процессов является превращение нейтрона в протон, электрон и антинейтрино. Квантовыми частицами-переносчиками слабого ядерного взаимодействия являются тяжелые бозоны трех разновидностей (W-положительные, W-отрицательные, Z-нейтральные). Эти частицы были эмпирически открыты в 1983 г. Выяснилось, что они имеют очень большую массу покоя и очень короткое время жизни.
Первая объединенная теория слабого ядерного и электромагнитного взаимодействий была разработана в конце 60-х гг. ХХ в. американцем Стивеном Вайнбергом и пакистанцем Абдусом Саламом. Эта теория рассматривала указанные взаимодействия как различные проявления единой природной силы. В этом состояло ее выдающееся научное достижение. Такой подход позже в физической науке получил широкое признание и дальнейшее развитие применительно к другим видам взаимодействий.
В своей повседневной жизни человек практически не сталкивается со слабым ядерным взаимодействием. Однако в природе оно имеет фундаментальное значение. Термоядерные реакции
155
в недрах звезд, взрывы сверхновых звезд, синтез химических элементов внутри звезд и другие природные процессы связаны с действием слабых ядерных сил.
Сильное ядерное взаимодействие подобно рассмотренному слабому взаимодействию ограничено пределами атомного ядра. Оно получило такое название благодаря своему невероятно мощному энергетическому потенциалу. Термоядерные реакции на Солнце (в которых участвуют и слабые силы), взрыв термоядерной бомбы или управляемая термоядерная реакция наглядно показывают энергетические возможности сильного взаимодействия. Главная его функция в природе – создание мощной связи между нуклонами в атомном ядре. Переносчиками сильного взаимодействия между кварками (из которых состоят нуклоны) выступают глюоны (англ. – gluon, от glue – клей). Физики установили, что существуют 8 разновидностей глюонов.
Неклассическая физика конца ХХ в. и постклассическая физика начала XXI в. развивались в русле концепции суперобъединения. Она предполагала, что все известные физические взаимодействия являются разновидностями единой природной суперсилы. Определенные теоретические успехи на этом пути уже наметились к концу прошлого столетия.
Фундаментальную роль в становлении неклассической научной картины мира сыграло изменение представлений о пространстве и времени. Еще с древних времен человек начал задумываться о сущности окружающего пространства и закономерностях временного потока. Главных вопросов, волновавших умы древних мыслителей, было всего два:
1. Имеют ли пространство и время свои пределы или являются бесконечными? С этой проблемой был тесно связан вопрос о времени происхождения мира и возможном завершении его существования.