Теория относительности заметно повлияла на наши представления о материи, заставив нас существенно пересмотреть понятия об элементарных частицах. В классической физике масса тела всегда ассоциировалась с некой неделимой материальной субстанцией — «материалом», из которого состоит всё. Теория относительности показала, что масса не имеет отношения ни к какой субстанции, будучи одной из форм энергии. Но энергия — динамическая величина, связанная с действием или процессами. Поскольку масса частицы эквивалентна определенному количеству энергии, частица не может уже восприниматься как статический объект. Она должна пониматься как динамическая модель, процесс, вовлекающий энергию, которая проявляется в массе данной частицы.
Начало новому взгляду на элементарные частицы положил Поль Дирак, сформулировавший релятивистское уравнение для описания поведения электронов. Его модель не только успешно объясняла мельчайшие детали строения атома, но и раскрывала фундаментальную симметричность между материей и антиматерией. Так, Дирак предсказал существование антиэлектрона, обладающего массой электрона, но с противоположным зарядом. Пару лет спустя была открыта положительно заряженная частица — позитрон. Из принципа симметричности материи и антиматерии следует, что для каждой частицы есть античастица с той же массой и тем же зарядом, но противоположным знаком. Пары частиц и античастиц могут быть созданы при наличии достаточного количества энергии и обращены в чистую энергию в процессе взаимного уничтожения. Существование процессов синтеза и аннигиляции частиц было предсказано теорией Дирака до того, как они были открыты, и с тех пор ученые наблюдали эти процессы в лабораториях миллионы раз.
Возможность возникновения материальных частиц из чистой энергии — самый необыкновенный эффект теории относительности, который можно объяснить только при использовании вышеописанного подхода. До того как физика стала рассматривать частицы с позиции теории относительности, считалось, что материя состоит либо из неделимых и неизменных элементарных единиц, либо из объектов, которые можно разложить на более мелкие составляющие. И вопрос был только в том, можно ли бесконечно делить материю на всё более мелкие единицы и в конце концов получить мельчайшие неделимые частицы. Открытие Дирака представило проблему делимости вещества в новом свете. При столкновении двух частиц с высокой энергией они обычно разбиваются на части, размеры которых не меньше размеров исходных. Это частицы того же типа, возникающие из энергии движения (кинетической), задействованной в процессе столкновения. В результате проблема делимости материи решается неожиданным путем. Единственный способ деления внутриатомных частиц — их столкновение с использованием высокой энергии. Мы можем делить материю вновь и вновь, но не получаем более мелких частей, поскольку частицы создаются энергией. Получается, субатомные частицы одновременно и делимы, и неделимы.
Такая ситуация кажется парадоксальной, пока мы придерживаемся гипотезы о «составных объектах», состоящих из «строительных кирпичиков». Противоречие исчезает при динамическом релятивистском подходе. Тогда частицы воспринимаются как динамические модели или процессы, задействующие некоторое количество энергии, которая заключена в их массе. В процессе столкновения энергия двух частиц перераспределяется и образует новый объект. И если кинетическая энергия столкновения достаточно велика, новый объект может включать дополнительные частицы.
Высокоэнергетические столкновения внутриатомных частиц — основной метод, который используют ученые для изучения их свойств. Поэтому физика частиц носит также название «физики высоких энергий». Кинетическая энергия, необходимая для экспериментов по столкновению частиц, достигается в огромных, несколько метров в окружности ускорителях, в которых протоны разгоняются до скорости, близкой к световой, а затем сталкиваются с другими протонами или нейтронами. Поразительно, какие гигантские машины нужны для изучения бесконечно малого мира. Это своего рода супермикроскопы современности.
Большинство частиц, возникающих при столкновениях, недолговечны и существуют меньше одной миллионной доли секунды, после чего снова распадаются на протоны, нейтроны и электроны. При этом можно не только обнаружить эти частицы и измерить их характеристики, но и сфотографировать оставленные ими следы! Для этого используются специальные «пузырьковые камеры». Принцип их действия схож с принципом образования инверсионного следа в небе от реактивного самолета. Сами частицы на несколько порядков меньше пузырьков, составляющих следы частиц, но по толщине и искривленности траектории физики могут определить, какая частица его оставила. На рисунке 7 приведена картинка такого следа.
Рис. 7. Эта фотография, как и другие подобные ей, — обращенный негатив, на котором следы движения частиц видны отчетливее
В точках, из которых исходит несколько треков, происходят столкновения частиц; искривления возникают из-за использования исследователями магнитных полей для определения частиц. Столкновения частиц — основной экспериментальный метод изучения их свойств и взаимодействий, а красивые линии, спирали и дуги в пузырьковых камерах крайне важны для современной физики.
Эксперименты середины XX в. в области физики высоких энергий раскрыли динамическую и постоянно меняющуюся природу частиц. Материя в них способна к любым трансформациям. Любая частица может быть преобразована в другую; энергия способна создавать частицы и наоборот. В этом мире теряют смысл такие понятия классической физики, как «элементарная частица», «материальная субстанция» и «изолированный объект». Вселенная предстает в виде динамической сети неразрывно взаимосвязанных энергетических моделей. Всеобъемлющая теория для описания мира субатомных частиц еще не создана, но уже сейчас есть несколько теоретических моделей, вполне удовлетворительно описывающих ее отдельные аспекты. Все они несвободны от математической сложности и порой противоречат друг другу, но отражают глубинное единство и изначальную изменчивость материи. Они показывают, что свойства частицы могут быть определены только в терминах ее активности, т. е. взаимодействия с окружающей средой, и частицы следует рассматривать не как самостоятельные единицы, а как неотъемлемые части единого целого.
Теория относительности радикально изменила наши представления не только о самих частицах, но и о действующих между ними силах. Для релятивистов взаимодействия между частицами, их взаимные притяжения и отталкивания выглядят как обмен частицами. Эту картину сложно представить визуально. Всё объясняется четырехмерной пространственно-временной сущностью внутриатомного мира. Ни интуитивно, ни с помощью языка удовлетворительно представить эту реальность почти невозможно. Но это необходимо, если мы хотим постичь явления субатомного уровня. Теория относительности связывает силы, действующие между составными частями вещества, со свойствами этих частей и тем самым объединяет два понятия — силы и материи, — которые со времен греческих атомистов казались самостоятельными. Теперь мы понимаем, что и сила, и материя берут начало в динамических моделях, которые мы называем частицами.
Частицы взаимодействуют при помощи сил, которые проявляются в обмене другими частицами. Это еще одно свидетельство в пользу невозможности разделения внутриатомного мира на составляющие. От нашего видимого невооруженным глазом мира и до микроскопического уровня ядра силы притяжения между объектами относительно слабы. В качестве приближения можно сказать, что всё состоит из неких элементов: крупинка соли — из молекул, молекулы соли — из двух разновидностей атомов, атомы — из ядер и электронов, а ядра — из протонов и нейтронов. Но на уровне частиц такое допущение неприменимо.
В конце XX в. появилось много свидетельств в пользу того, что протоны и нейтроны тоже могут быть разложены на составляющие. Однако силы притяжения внутри них столь сильны или (что по сути равнозначно) скорость движения этих частиц столь велика, что к ним тоже должна применяться теория относительности, в рамках которой все силы одновременно оказываются частицами. Так стирается различие между частицами — компонентами нуклона и частицами, проявляющимися в форме сил притяжения, и вышеупомянутое утверждение об элементах вещей теряет смысл. Мир частиц нельзя разложить на составляющие.
