4. Единство сил природы

Сколько сил в природе!

Мы решили назвать эту книгу "Силы в природе", имея в виду главным образом второе значение этого слова в современной науке. Но в большом числе случаев силы, о которых пойдет речь в дальнейшем, можно понимать и в более узком "механическом смысле".

Наш рассказ в первую очередь будет посвящен природе сил, т. е. вопросу, от рассмотрения которого механика отказывается. Здесь сразу же возникает проблема первостепенной важности: сколько различных типов сил, т. е. типов взаимодействий, существует в мире?

В настоящее время, когда говорят о единстве природы, обычно имеют в виду единство в строении вещества: все тела построены всего лишь из нескольких сортов элементарных частиц. Однако в этом проявляется только одна сторона единства природы. Не менее существенно и другое.

Несмотря на удивительное разнообразие взаимодействий тел друг с другом, взаимодействий, сводящихся в конце концов к взаимодействию элементарных частиц, в природе по современным данным имеется совсем немного типов сил. О четырех из них: о силах тяготения, электромагнитных силах, ядерных силах и слабых взаимодействиях^* мы можем говорить с уверенностью. Из них только два первых типа сил можно рассматривать в смысле ньютоновой механики. С проявлениями всех четырех типов сил мы встречаемся, изучая то, что происходит в безграничных просторах Вселенной, на нашей планете, исследуя любой кусок вещества, живые организмы, атомы, атомные ядра, взаимные превращения элементарных частиц.

^*(Мы не касаемся так называемых несиловых взаимодействий, выражаемых в квантовой механике принципом Паули.)

Еще вчера казалось, что этими четырьмя типами сил исчерпываются все имеющиеся в природе взаимодействия. Сегодня картина представляется уже более сложной. Изучение "интерьера" элементарных частиц приоткрыло новые глубины. Мы уже не можем с прежней уверенностью утверждать, что все известные нам процессы в природе объясняются действием лишь этих сил, что в недрах элементарных частиц не проявляются какие-то новые взаимодействия. Каковы они, эти взаимодействия? Какова их природа? Об этом мы пока почти ничего не знаем.

Но о гравитационных, электромагнитных, ядерных и слабых взаимодействиях мы знаем многое.

Что же подразумевается под силами данных четырех типов? Почему и как мы можем, опираясь на них, объяснить огромное число явлений? Почему, наконец, появились сомнения в том, что ими исчерпываются все имеющиеся в природе взаимодействия?

Ответ на эти вопросы и составляет содержание книги.

Единство сил природы неразрывно связано с единством в строении вещества. Одно не только не мыслимо без другого, но скорее можно сказать, что то и другое выражает разные стороны глубоко заложенного в природе вещей единства мира. Сравнительно малому числу сортов элементарных частиц соответствует еще меньшее число типов взаимодействий между ними.

Что будет в книге?

Теперь наш рассказ пойдет о самом главном. Что представляют собой перечисленные типы взаимодействий и как они были открыты? Каким образом бесчисленное многообразие проявлений взаимных действий тел друг на друга можно объяснить немногими общими законами? Какова сфера действия различных сил в природе, какова их роль в различных процессах? Наконец, нужно рассказать о взаимоотношении сил; о той гармонии сил природы, которая обеспечивает относительную устойчивость, а также непрерывное развитие, обновление Вселенной, где все силы в равной степени необходимы.

Мы начнем с того, с чего в физике начался процесс изучения природы сил. Начнем с рассказа о силах всемирного тяготения, или гравитационных силах. Гравитационные силы стоят в начале той поразительной цепи открытий, которая привела к установлению единства сил природы.