Законы действия этих сил различны, и у каждой из них своя «сфера влияния». Гравитационная сила прекрасно описывается законом Ньютона. Она убывает с расстоянием медленно, по закону обратных квадратов, так что ее действие распространяется очень далеко, а по величине она прямо пропорциональна массам взаимодействующих тел. Константа взаимодействия (коэффициент пропорциональности) — очень маленькая величина, так что гравитационная сила существенна лишь для очень массивных тел. Гравитационное взаимодействие двух бильярдных шаров, например, ничтожно, тогда как их взаимодействие с землей мы видим воочию.
Есть еще такой пример. Если бы атом водорода удерживался только за счет гравитационного взаимодействия между электроном и протоном, его размер был бы сравним с размерами видимой Вселенной. Иначе говоря, электрическое взаимодействие, за счет которого удерживается электрон возле протона, в 1036 раз больше их гравитационного взаимодействия. Так что в мире элементарных частиц гравитационным взаимодействием можно пренебречь. Все так, пока мы имеем дело с привычными для нас вещами. Для полного описания теории гравитации понадобился гений Эйнштейна. И это еще не все. Именно гравитационная сила, столь ясно представленная Ньютоном, полностью описанная Эйнштейном в общей теории относительности, оказалась самой строптивой в свете современных представлений.
Электромагнитное взаимодействие не столь универсально, как гравитационное, но именно ему мы обязаны практически всем, что нас окружает: электрическая лампочка, радио, поверхностное натяжение в жидкостях, упругость твердых тел, химические реакции, обыкновенное трение, каждый атом, наконец. И для этих самых разных явлений существует один и тот же свод законов — электродинамика Максвелла.
Там, где начинают сказываться квантовые эффекты, вступает в силу квантовая электродинамика, основы которой заложил Дирак. Исходя из своего уравнения, того самого, которое «описывает почти всю физику», Дирак предсказал существование первой античастицы. Самым существенным в теории Дирака было то, что частицы и силы в ней были объединены в один объект — квантованное поле. Квантовая электродинамика — это теория квантованных сил. Действие этих полей осуществляется с помощью квантов поля — переносчиков электромагнитного взаимодействия — фотонов. Один заряд узнает о существовании другого заряда, получив от него «информацию» в виде фотона. Квантовая электродинамика — самая точная из всех теорий. И по ее подобию строятся теории двух других взаимодействий, сильного ядерного и слабого.
Квантами сильного ядерного поля — переносчиками сильного взаимодействия — являются глюоны. Так же как фотоны осуществляют взаимодействие между электрическими зарядами, глюоны осуществляют взаимодействие между цветовыми зарядами кварков. Глюоны, так же как и кварки, цветные. Glue по-английски клей. Специфика сильного квантового поля такова, что при увеличении расстояния между кварками интенсивность их взаимодействия сначала падает, а затем возрастает настолько, что при расстояниях порядка размеров ядра (10–13 см) кварки невозможно «растащить» — глюоны склеивают их напрочь. До сих пор ни в одном эксперименте не удалось обнаружить кварки в свободном состоянии. Сильные взаимодействия описываются квантовой хромодинамикой, т. е. квантовой цветодинамикой. Пожалуй, мы дошли до того места, где вправе сказать: «Вначале была механика…» И как здесь не вспомнить слова великого Ньютона: «Не знаю, чем я могу казаться миру, но сам себе я кажусь только мальчиком, играющим на морском берегу, развлекающимся тем, что от поры до времени отыскиваю камешек более цветистый, чем обыкновенно, или красную раковину, в то время как великий океан истины расстилается передо мной неисследованным» [51, с. 196]. К этому «великому океану истины» и ведут все пути физиков.
Слабое взаимодействие, ответственное за радиоактивные превращения, осуществляется посредством обмена промежуточными векторными бозонами. В отличие от фотонов и глюонов, не обладающих массой покоя, кванты слабого поля — массивные частицы. Их масса в сто раз превышает массу протона, она, сравнима с массой ядра стронция. Радиус действия слабого взаимодействия самый короткий, 10–16 см. Кванты слабого поля образуют триплет и имеют следующие обозначения: W+, W–, Z0. Первые два несут электрические заряды, третий электрически нейтрален.
Немного истории. Как мы знаем, Беккерель открыл радиактивность солей урана еще в прошлом веке, в конце. Затем Резерфорд и супруги Кюри установили, что радиоактивное излучение состоит из трех видов: альфа-лучей (ядра атомов гелия), гамма-лучей (поток фотонов) и бета-лучей (поток электронов). Самыми непослушными оказались бета-лучи. При помещении радиоактивного источника в магнитное поле альфа- и гамма-лучи вели себя как полагается (альфа-лучи отклонялись всегда на один и тот же угол), фотоны магнитного поля не чувствовали, а бета-лучи при одном и том же магнитном поле отклонялись на самые разные углы, целый диапазон значений, т. е. каждый раз имели различные энергии, а не единственную, полагающуюся для непременного соблюдения закона сохранения энергии. Получалось, что с явлением бета-излучения нарушался самый главный закон природы.