• сильные взаимодействия;

• электромагнитные взаимодействия;

• слабые взаимодействия;

• гравитационные взаимодействия.

Более всего известны электромагнитные и гравитационные взаимодействия, поскольку они наблюдаются и в макроскопическом мире. Гравитационные взаимодействия существуют между всеми частицами, но они настолько слабы, что не обнаруживаются экспериментально. В макроскопическом мире такие взаимодействия большого количества частиц, составляющих массу тела, складываются и порождают макроскопическую силу гравитации, которая является основной силой во Вселенной. Электромагнитные взаимодействия происходят между всеми заряженными частицами. Именно они вызывают все химические реакции, формируют все атомные и молекулярные структуры. Сильные взаимодействия удерживают вместе протоны и нейтроны внутри ядра. Они порождают ядерную силу — самую мощную из всех известных современной науке сил. Так, например, электроны удерживаются поблизости от атомного ядра при помощи электромагнитной силы, обладающей энергией примерно в 10 электрон-вольт (особая внесистемная единица энергии, используемая в атомной и ядерной физике), а ядерные силы, связывающие протоны и нейтроны внутри ядра, имеют энергию, равную десяткам миллионов электрон-вольт!

Нуклоны — не единственные частицы, которые участвуют в сильных взаимодействиях. К сильно взаимодействующим относится подавляющее большинство известных частиц. Из всех известных на момент написания книги частиц только пять частиц (как и их античастицы) не могут участвовать в сильных взаимодействиях[213]. Это фотон и четыре лептона, перечисленные в верхней части табл. 3[214]. Мы можем разделить все частицы на две большие группы — лептоны и адроны, или сильно взаимодействующие частицы. Адроны делятся на мезоны и барионы, между которыми много различий. Важнейшее из них заключается в том, что все барионы имеют античастицы, а мезоны могут сами выступать в роли своих античастиц.

Лептоны участвуют во взаимодействиях четвертого типа — слабых. Последние настолько слабы и действуют на таком коротком расстоянии, что не могут удерживать частицы рядом, а три остальные разновидности взаимодействий порождены связывающими силами: сильные взаимодействия связывают атомное ядро, электромагнитные — атомы и молекулы, а гравитационные — планеты, звезды и галактики. Слабые взаимодействия проявляются только в форме столкновения определенных частиц, а также их распада. К числу последних относится и бета-распад, упомянутый выше.

Все взаимодействия между адронами проявляются в обмене другими адронами. Сильные взаимодействия действуют только на небольших расстояниях, поскольку в соответствующих им обменных процессах участвуют массивные частицы. Сильные взаимодействия происходят только при условии, что расстояние между частицами не превышает нескольких размеров частицы. Поэтому они не способны создать силу, которую мы могли бы обнаружить в нашем макроскопическом мире. Электромагнитные взаимодействия осуществляются не имеющими массы фотонами и возможны на больших расстояниях, поэтому электрические и магнитные силы хорошо известны в мире больших измерений. Считается, что гравитационные взаимодействия тоже осуществляются в рамках обмена особыми частицами — «гравитонами», но они настолько слабы, что до сих пор не были обнаружены учеными, хотя никаких поводов сомневаться в их существовании нет.

Наконец, поскольку слабые взаимодействия гораздо более короткодействующие, чем сильные, физики считают, что они осуществляются путем обмена очень тяжелыми частицами. Видимо, эти гипотетические[215] частицы W+, W— и Z выполняют роль, аналогичную роли фотона в электромагнитных взаимодействиях, отличаясь от него только намного большей массой. Именно аналогия с фотоном легла в основу последних модификаций квантовой теории поля, получивших название калибровочных и позволивших создать единую теорию поля для электромагнитных и слабых взаимодействий (см. послесловие).

Во многих процессах столкновений, применяющихся в физике высоких энергий, сильные электромагнитные и слабые взаимодействия часто объединяются, в результате возникают длинные цепочки последовательных превращений частиц. Частицы, первоначально участвовавшие в столкновении, уничтожаются, образуя несколько новых, которые тоже проходят несколько процессов столкновений или распада, прежде чем превратиться в устойчивые частицы.

На рисунке 39 представлена сделанная с помощью пузырьковой камеры фотография[216] сложной последовательности столкновений и распадов частиц. Здесь изображена одна из таких цепочек возникновений и исчезновений частиц. Эта впечатляющая иллюстрация неучтожимости вещества на уровне частиц, демонстрирующая поток энергии, под воздействием которой рождаются и погибают частицы.

Рис. 39. Фотография столкновений и распадов частиц

Сложная последовательность рождения и распада частиц выглядит так (рис. 40): отрицательно заряженный пион (π—) проникает в пузырьковую камеру слева, сталкивается с протоном, т. е. ядром атома водорода, который уже находился внутри камеры; обе частицы разрушаются, в результате чего образуется нейтрон (n) и два каона (К— и К+); нейтрон улетает, не оставляя следа; каон К— сталкивается с другим находящимся в камере протоном, обе частицы аннигилируются, образуя лямбду (Λ) и фотон (γ). Ни одна из вновь образованных частиц не является видимой, но лямбда (Λ) через короткое время распадается на протон (р) и пион (π—), каждый из которых оставляет видимый след. На рисунке хорошо видно небольшое расстояние между возникновением лямбды и ее распадом. Наконец, каон К+, возникший при самом первом столкновении, некоторое время продолжает двигаться, а потом распадается на три пиона.