Для любознательных	Начало см. в выпуске «Научных сред» № 9-10 (289-290) 2014
	Взаимоотношения эксперимента и теории иногда напоминают соревнования по бегу. То эксперимент дает неожиданные результаты, требующие усовершенствования теории, то теория делает новые предсказания, требующие экспериментального подтверждения. Из такого взаимодействия теории и эксперимента родилось одно из важнейших открытий последних десятилетий. Сейчас все согласны с тем, что составляющие ядро атома протоны и нейтроны состоят из более легких частиц - кварков. А как устроено взаимодействие кварков внутри ядра? Как оно зависит от расстояния между кварками? Был придуман эксперимент, в котором на протонах рассеивали очень быстрые электроны, и зависимость силы от расстояния извлекалась оттуда непосредственно. Ожидалось что-то вроде закона Кулона, то есть сила, растущая с уменьшением расстояния. Результат оказался неожиданным: в глубине протона эта сила оказалась практически равной нулю, то есть кварки в протоне как бы не замечают друг друга. Одновременно развивалась и теория, которая также пришла к силам такого рода. Как заметил один из ведущих современных физиков Л. Б. Окунь, получается, что кварки в протонах ведут себя подобно детской игрушке – раскидайчику, лежащему на столе. У ненатянутой резинки раскидайчика есть своя длина. На расстояниях, меньших этой длины, раскидайчик резинку не чувствует, движется так, как будто ее нет. Но на расстояниях, которые больше, чем эта длина, резинка натягивается и раскидайчик не отпускает. Вообще установление того, как взаимодействуют между собой мельчайшие частицы вещества - «элементарные частицы», и есть одна из основных задач современной физики. Сами объекты исследований менялись со временем. В XVII веке интересовались, в основном, движением планет и очень многое об этом узнали. Многие новые представления принимались с трудом, как, например, высказанное столетием раньше предположение Коперника, что естественно считать Землю, движущейся вокруг Солнца, а не наоборот. Хотя еще древние греки допускали, что то обстоятельство, что на Земле живут люди, еще не делает ее центром Вселенной. Поэтому Коперник высказал свое утверждение осторожно, в виде гипотезы. Не сразу приняли и, казалось бы, значительно менее революционное наблюдение Кеплера, сделанное несколько десятилетий спустя. Он обнаружил, что планеты движутся по эллипсам. Античные представления об устройстве мира требовали максимальной симметрии, и уж если и пришлось признать движение планет вокруг Солнца, то ожидали орбит в виде окружностей. Кстати, интуитивно древние греки правильно чувствовали важность симметрии, огромная роль которой в физике выяснилась только в XX веке. Среди важнейших достижений физики XVII века – открытый Ньютоном закон всемирного тяготения, утверждающий, помимо прочего, что силы тяготения на привычных для нас расстояниях, измеряемых сантиметрами и метрами и на дистанциях в миллиарды раз больших, на которых расположены орбиты планет, имеют одинаковую природу и описываются одной формулой. Позднее оказалось, что и для других явлений можно увеличивать размеры объектов, а законы остаются такими же. А как быть с уменьшением размеров? К концу XIX века этот вопрос стал актуальным. Атомно-молекулярная структура вещества была к тому времени установлена, все известные атомы были аккуратно записаны в таблицу Менделеева. Вскоре поняли, что атом состоит из электронов и положительно заряженного ядра. Попытались представить себе движение электрона вокруг ядра по аналогии с движением атома, то есть распространить действие известных законов на очень малые расстояния. Вычислить радиус орбиты несложно, благо зависимость силы от расстояния в законе Кулона такая же, как и в законе тяготения. Результат для простейшего атома с одним электроном, то есть для водорода, радиус 10^-8 см (в 100 миллионов раз меньше, чем 1 сантиметр) оказался разумным, но «умножая знания, умножаешь печаль». К тому времени было известно, что заряд, движущийся с переменной, хотя бы по направлению, скоростью, должен излучать электромагнитные волны. На это тратится энергия, и скорость электрона будет уменьшаться. Стационарной орбиты не получилось. Эта неудача, а также некоторые непонятные свойства теплового излучения взаимодействия света с веществом дали толчок к осознанию того, что на малых расстояниях, грубо говоря, меньших, чем 10^-7 см, все происходит по-другому. К концу двадцатых годов сформировалась новая наука - квантовая механика, описывающая такие малые расстояния. Фундаментальные законы старой «классической» физики – такие, как законы сохранения энергии и момента количества движения (импульса) в ней, по-прежнему выполняются, однако, сами объекты исследования принимают другой вид. В классической механике у тел есть точно выраженные границы. Эта точка принадлежит телу, а та - нет. В квантовой механике каждый объект можно представить себе как своеобразный кисель, размазанный по всему пространству. Правда, плотность этого киселя неоднородна. В задаче об электроне в атоме плотность действительно максимальна на том расстоянии, которое определяется классическим законом Кулона, но довольно широко вокруг него размазана. Разрабатываемые методы конструирования на расстояниях, где нужно учитывать квантовые эффекты, и называют популярным сегодня словом «нанотехнологии». Одна из важнейших задач физики - определение взаимодействий между элементарными частицами, которые происходят на расстояниях, описываемых квантовой механикой, или, как обычно выражаются, в микромире. При слове «взаимодействие», то есть влияние на движение частиц, обычно в голову приходит пример из привычного нам макромира со столкновением шаров на плоскости, и он обычно разбирается в школьном задачнике. Однако это очень частный случай, у которого не много аналогов в микромире. Но в задачнике есть другая очень поучительная задача. По озеру идут с постоянными и известными скоростями две лодки, их массы тоже известны. В какой-то момент из одной лодки в другую перекидывается мяч, тоже с заданной массой. Как изменятся скорости лодок? Задача решается с помощью законов сохранения энергии и импульса. Обратите внимание, что лодки провзаимодействовали без непосредственного соприкосновения, путем обмена третьим телом, мячом. Это прекрасно иллюстрирует взаимодействия в микромире, где все взаимодействия, как было понято несколько десятилетий назад, происходят именно таким образом. Всего же известно четыре вида взаимодействий, и, соответственно, четыре вида «мячей». Гравитационное взаимодействие известно с XVII века, электромагнитное – с XIX-го. В XX веке стало известно взаимодействие, названное «сильным» - оно обеспечивает существование атомных ядер. Почти одновременно было открыто «слабое» взаимодействие, действительно более слабое, но играющее важную роль, например, в эволюции звезд. Электромагнитные взаимодействия проще, чем другие, описываются в такой картине. Это было сделано лет шестьдесят назад. «Мячи», которыми обмениваются два электрона, называются фотонами. Так же устроено и электростатическое взаимодействие макроскопических зарядов, но описывать их на языке обмена фотонами сложно, и лучше использовать понятие электрического поля. А вот известное с гораздо более ранних времен гравитационное взаимодействие с трудом поддается такой интерпретации, и здесь предстоит еще много работы. Эти два вида взаимодействий есть и между макрообъектами. А вот сильные взаимодействия исчезают уже на расстояниях, больших, чем одна тысячная от размера атома водорода. На меньших расстояниях объекты взаимодействия, протоны и нейтроны, из которых состоят ядра, обмениваются сложными системами «мячей» (они называются «мезонами»), и здесь далеко не все понятно. Кроме того, лет пятьдесят назад выяснялось, что кроме нейтронов и протонов есть еще много более тяжелых частиц, способных сильно взаимодействовать, их назвали адронами. Казалось, что простой картины не получается. Однако лет тридцать назад произошел большой скачок в понимании внутреннего устройства адронов. Почти все они состоят из трех сортов более легких частиц - кварков. Все они обмениваются одними и теми же «мячами» (их называют «глюонами»), что и создает их сильное взаимодействие. Мы уже говорили о «раскидайчиках». Слабое взаимодействие проявляется на расстояниях еще меньших, нежели сильное. Оно приводит к нестабильности свободного нейтрона, так называемому бета - распаду на протон, электрон и еще одну нейтральную и очень легкую (в сотни тысяч раз легче электрона) частицу -нейтрино. А в ядрах, в зависимости от заряда и атомного номера (общего числа протонов и нейтронов), нейтрон иногда стабилен, иногда нет, а иногда протон распадается на нейтрон и позитрон. Это происходит на дальней стадии эволюции звезд - позитроны улетают, нейтроны остаются. В конце концов, получается нейтронная звезда. Тоже лет тридцать назад было обнаружено, что «мячи» которые вызывают слабые взаимодействия - те же самые, что и в электромагнитном взаимодействии (там они называются фотонами), но они, в масштабах других элементарных частиц, тяжелые. Д-р физ.-мат. наук Е. Г. Друкарев Из лекции, прочитанной гимназистам. (Продолжение следует)