А. Эйнштейн вскоре после создания общей теории относительности начал титаническую работу, пытаясь объединить электромагнетизм и гравитацию — те два вида взаимодействий, которые тогда были известны. Эти попытки он продолжал всю жизнь. Однако в то время наука не была еще готова не только для успешного выполнения этой задачи, но даже для осмысления грандиозности и значимости этих попыток. Очень многие физики относились к попыткам А. Эйнштейна весьма скептически. Так, знаменитый физик В. Паули образно говорил по этому поводу: «Что разделено богом, человеку не соединить». Когда же позднее начались попытки объединения других сил природы, то они часто встречали такой же скептицизм.
Весной 1988 года в Триесте я спросил знаменитого пакистанского физика, директора Международного исследовательского центра А. Салама о первых попытках создания теорий, объединяющих различные силы. Он ответил, что лет тридцать назад в это почти никто не верил, и посоветовал прочитать письмо, которое ему написал В. Паули в 1957 году и которое А. Салам приводит в одной из своих статей. В этом письме говорится: «Не торопясь читаю Вашу статью. (Под ярким Солнцем на берегу Цюрихского озера.) Меня очень удивило ее название — «Универсальное взаимодействие Ферми»; это связано с тем, что с некоторых пор я придерживаюсь правила: если теоретик говорит «универсальный», то это означает чистую бессмыслицу».
С времен первых попыток А. Эйнштейна прошло много десятилетий, и ситуация в физике резко изменилась. В настоящее время известны четыре вида физических взаимодействий: гравитационные, слабые, электромагнитные и сильные.
До сих пор мы говорили главным образом о гравитационном взаимодействии, управляющем движением небесных тел, но в мире элементарных частиц им можно пренебречь. Несколько предварительных слов о трех других взаимодействиях.
Примером процесса, идущего за счет слабого взаимодействия, является распад свободного нейтрона n на протон р, электрон е и антинейтрино νe. Мы видим существенное отличие проявления этого взаимодействия от рассмотренных нами проявлений гравитационного взаимодействия. Гравитация в том понимании медленных движений, о котором мы говорили, меняет только состояние движения частиц, слабое же взаимодействие меняет внутреннюю природу частиц: вместо нейтрона появляются протон, электрон и антинейтрино.
Сильные взаимодействия обусловливают различные ядерные реакции (такие, например, как термоядерные реакции), а также возникновение сил, связывающих нейтроны и протоны в ядра.
С электрическими и магнитными силами мы знакомы по школьным опытам, а поэтому они не нуждаются в комментариях.
Частицы, из которых состоит материя, делятся на группы в зависимости от свойств их взаимодействия.
Частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях, называют лептонами. Таких частиц шесть. Это электрон e, мюон μ-, тау-лептон τ- и три сорта нейтрино: электронное νe мюонное νμ и тау-нейтрино ντ. (Тау-нейтрино пока не открыто. Однако, по-видимому, никто не сомневается в его существовании. Мы в дальнейшем не будем делать оговорок об отдельной неполноте наших знаний.)
Лептоны группируются в пары: электрон с электронным нейтрино, мюон — с мюонным, тау-лептон — с тау-нейтрино. Это объединение обусловлено тем, что каждый сорт нейтрино участвует в реакциях вместе со своим партнером по паре. Первые три частицы имеют электрический заряд, равный заряду электрона. Все сорта нейтрино электронейтральны.
Остальные фундаментальные частицы носят название кварков; они участвуют в сильных взаимодействиях (а также и в слабых, и в электромагнитных). Из кварков слагаются частицы, участвующие в сильных взаимодействиях, и называются адронами. Примерами адронов являются протон, нейтрон, пи-мезон. Всего кварков шесть, они обозначаются латинскими буквами и также группируются в три семейства, соответствующие семействам лептонов: (u, d), (с, s), (t, b).
Кварки имеют довольно экзотические свойства. Если выражать их электрический заряд в единицах заряда электрона, то оказывается, что заряды кварков дробные. Первые частицы в каждой паре имеют заряд +2/3. Остальные ― -1/3. Каждой частице соответствует античастица. Для электрически заряженных частиц заряд античастиц противоположен. Например, электрону е- с отрицательным зарядом соответствует античастица позитрон е+ с положительным зарядом, кварку u с зарядом +2/3 соответствует антикварк ū с зарядом -2/3 и т. д. (Античастицу обычно обозначают черточкой над буквой.)