Начнем с хорошо известного нам электромагнитного взаимодействия. Переносчиком его является фотон. На рис. 9 изображена схема электромагнитного взаимодействия между протоном и электроном. Протон испускает фотон, который поглощается электроном.

Читателю, конечно, известно, что наглядные представления для мира элементарных частиц невозможны, так как там действуют совершенно непривычные для нас законы квантовой механики. Невозможны, конечно, и наглядные картинки. Тем не менее подобные схемы, как выразился в популярной статье американский физик М. Гелл-Манн, создают «иллюзию понимания» и до некоторой степени помогают, если не понять полностью, то по крайней мере создать образ того, что происходит. Надо сказать, что для специалистов подобные схемы служат и рабочим инструментом для расчетов взаимодействий. Они получили название диаграмм Фейнмана, по имени их изобретателя — известного американского физика.

В случае гравитационного взаимодействия переносчиками являются кванты поля тяготения — гравитоны. Мы пока не будем говорить об этом виде взаимодействия. И фотоны, и гравитоны не имеют массы (как говорят, массы покоя) и всегда движутся со скоростью света.

Слабые взаимодействия также имеют своих переносчиков. Это частицы, которые получили название векторных бозонов (мы не будем объяснять, почему их так называют). Их три (а не по одной частице, как было в случае электромагнитного и гравитационного взаимодействий): W^±, Z⁰. Частицы W⁺ и W^- несут положительный и отрицательный заряды соответственно, a Z⁰ — частица электронейтральная. Пример слабого взаимодействия с участием W^--частицы показан на рис. 10. Эта схема изображает распад нейтрона.

Существенным отличием переносчиков слабого взаимодействия от фотона и гравитона является то, что они очень массивны. Примерно в сто раз тяжелее протона. С массивностью переносчиков связан тот факт, что слабое взаимодействие возможно только на очень коротких расстояниях. Это расстояние в тысячу раз меньше размера атомного ядра. Напомним, что ядро, в свою очередь, в сто тысяч раз меньше размера атома.

Почему слабое взаимодействие действует на столь коротких расстояниях? Дело заключается в следующем. Чтобы испустить тяжелую частицу-переносчика, взаимодействующая частица должна затратить большую энергию. Но эту энергию неоткуда взять! Однако в мире элементарных частиц существует так называемое соотношение неопределенностей. Оно гласит, что при измерении продолжительностью не более чем ?t, нельзя измерить энергию с точностью лучше, чем частное от деления постоянной Планка h на ?t.

Это означает, что на короткий промежуток времени ?t у частицы или системы может появляться энергия как бы «ниоткуда», но эта «занятая» энергия должна быть такова, чтобы за время ?t ее нельзя было измерить и чтобы, таким образом, не вступить в противоречие с законом сохранения энергии.

Мы видим здесь, что в мире элементарных частиц время оказывается связано с энергией. Если энергия определена точно, то промежуток времени, соответствующий этому состоянию, велик и совершенно неопределен. И наоборот. Мы вновь встречаем явную связь времени и энергии, о которой говорилось в разделе «Энергия из черных дыр».

Напомним здесь еще об одном проявлении этой связи, которая давно была установлена физиками. Речь идет о законе сохранения энергии.

То, что энергия не может взяться «ниоткуда», было установлено после многочисленных, продолжающихся столетия, неудачных попыток построить вечный двигатель. Закон сохранения энергии был сформулирован в 1842 году немецким врачом Ю. Майером. Любопытно, что он пришел к этому выводу после плавания корабельным врачом на остров Яву. Наблюдения за венозной кровью матросов натолкнуло его на мысль, что механическая работа и теплота могут взаимопревращаться. В 1842 году он опубликовал работу «Замечания относительно сил неживой природы», в которой и сформулировал свой закон сохранения и превращения энергии. Через несколько лет этот закон был переоткрыт Дж. Джоулем и Г. Гельмгольцем. Работы Майера долго оставались непризнанными. Он пытался защитить свой приоритет. Это привело его к тяжелому нервному расстройству. В 1862 году Р. Клаузиус и Дж. Тиндаль обратили внимание на эти работы, и его приоритет был признан.

Закон сохранения энергии гласит, что энергия системы, которая изолирована и ни с чем не взаимодействует, не может измениться. Она сохраняется с течением времени.

Глубокая причина этого фундаментального свойства природы была вскрыта в 1918 году немецким математиком Эмми Нетер. Она показала, что энергия сохраняется потому, что время однородно. Все моменты времени равноправны согласно физике Ньютона. Вот по этой причине, как строго математически показала Э. Нетер, энергия во все моменты времени одинакова. Это был совсем новый подход к законам физики, основанный на свойствах, как говорят, симметрии времени. Оказалось также, что другие физические величины — импульс тела и момент импульса — сохраняются со временем также благодаря свойствам симметрии, на этот раз — симметрии пространства.

Так впервые были открыты глубинные связи физических свойств симметрии пространства и времени. Идеи симметрии, как мы увидим, являются руководящими в современной физике.

Вернемся теперь к нашим взаимодействующим частицам. Чем больше масса переносчика взаимодействия, тем больше его энергия. Из-за соотношения неопределенностей следует, что чем больше энергия, тем должен быть меньше промежуток времени, прошедший между испусканием переносчика (при котором «занимается» энергия) и его поглощением (когда отдается «долг»). Так, в случае векторных бозонов в сто раз более тяжелых, чем протон, промежуток ?t оказывается одной сто миллионной, миллиардной миллиардной доли секунды! За это время частица-переносчик, двигаясь даже со скоростью света, успеет пройти расстояние не больше, чем тысячная доля поперечника атомного ядра. Это и определяет радиус действия слабых ядерных сил.

Обратимся теперь к сильным взаимодействиям. Их переносчиками являются глюоны. Подобно фотону они не имеют массы покоя. В случае электромагнитного взаимодействия испускание и поглощение переносчиков связаны с наличием у частицы электрического заряда. В случае сильных взаимодействий испускание и поглощение глюонов также связаны с наличием у кварков особых зарядов. Однако эти заряды бывают трех различных видов и получили названия: красный, желтый и синий. Само сильное взаимодействие иногда называют цветной силой. Любой кварк может иметь один из трех «цветов». Разумеется, никакого отношения к обычному цвету эти условные названия не имеют.

Другим отличием сильных взаимодействий от электромагнетизма является то, что глюоны сами переносят цветовые заряды и являются, таким образом, цветозаряженными. Напомним, что фотон не несет электрического заряда. Пример сильного взаимодействия между кварками показан на рис. 11.

Все рассмотренные нами переносчики сил обладают общим свойством: они имеют целочисленный спин (напомним, что спины фундаментальных частиц полуцелые). У фотонов, W⁺-, W^- -, Z⁰ -бозонов и глюонов спин равен 1, у гравитонов — 2 (в единицах h). Частицы с целыми спинами называют бозонами.

На этом, казалось, можно было бы остановиться в нашем путешествии в микромир, в нашем знакомстве с мельчайшими, известными сегодня частицами материи. Но в действительности те достаточно надежно установленные факты, о которых мы рассказали, это только вступление к знакомству с поистине удивительным миром бесконечно малого.

Свойства этого мира тесно переплетены со свойствами бесконечно большой Вселенной. Приведенные краткие сведения могут рассматриваться лишь как своеобразная «верхушка айсберга», видимая нами сегодня при рассмотрении процессов, протекающих со сравнительно малыми энергиями. Подлинная суть явлений в микромире гораздо обширнее, она захватывающе интересна и важна для космологии. С некоторыми аспектами этой «подводной» части айсберга мы сейчас и познакомимся. Следует особо