Все взаимодействия между адронами проявляются в обмене другими адронами. Сильные взаимодействия действуют только на небольших расстояниях, поскольку в соответствующих им обменных процессах участвуют массивные частицы. Сильные взаимодействия происходят только при условии, что расстояние между частицами не превышает нескольких размеров частицы. Поэтому они не способны создать силу, которую мы могли бы обнаружить в нашем макроскопическом мире. Электромагнитные взаимодействия осуществляются не имеющими массы фотонами и возможны на больших расстояниях, поэтому электрические и магнитные силы хорошо известны в мире больших измерений. Считается, что гравитационные взаимодействия тоже осуществляются в рамках обмена особыми частицами — «гравитонами», но они настолько слабы, что до сих пор не были обнаружены учеными, хотя никаких поводов сомневаться в их существовании нет.

Наконец, поскольку слабые взаимодействия гораздо более короткодействующие, чем сильные, физики считают, что они осуществляются путем обмена очень тяжелыми частицами. Видимо, эти гипотетические[215] частицы W⁺, W^— и Z выполняют роль, аналогичную роли фотона в электромагнитных взаимодействиях, отличаясь от него только намного большей массой. Именно аналогия с фотоном легла в основу последних модификаций квантовой теории поля, получивших название калибровочных и позволивших создать единую теорию поля для электромагнитных и слабых взаимодействий (см. послесловие).

Во многих процессах столкновений, применяющихся в физике высоких энергий, сильные электромагнитные и слабые взаимодействия часто объединяются, в результате возникают длинные цепочки последовательных превращений частиц. Частицы, первоначально участвовавшие в столкновении, уничтожаются, образуя несколько новых, которые тоже проходят несколько процессов столкновений или распада, прежде чем превратиться в устойчивые частицы.

На рисунке 39 представлена сделанная с помощью пузырьковой камеры фотография[216] сложной последовательности столкновений и распадов частиц. Здесь изображена одна из таких цепочек возникновений и исчезновений частиц. Эта впечатляющая иллюстрация неучтожимости вещества на уровне частиц, демонстрирующая поток энергии, под воздействием которой рождаются и погибают частицы.

Рис. 39. Фотография столкновений и распадов частиц

Сложная последовательность рождения и распада частиц выглядит так (рис. 40): отрицательно заряженный пион (π^—) проникает в пузырьковую камеру слева, сталкивается с протоном, т. е. ядром атома водорода, который уже находился внутри камеры; обе частицы разрушаются, в результате чего образуется нейтрон (n) и два каона (К^— и К⁺); нейтрон улетает, не оставляя следа; каон К^— сталкивается с другим находящимся в камере протоном, обе частицы аннигилируются, образуя лямбду (Λ) и фотон (γ). Ни одна из вновь образованных частиц не является видимой, но лямбда (Λ) через короткое время распадается на протон (р) и пион (π^—), каждый из которых оставляет видимый след. На рисунке хорошо видно небольшое расстояние между возникновением лямбды и ее распадом. Наконец, каон К⁺, возникший при самом первом столкновении, некоторое время продолжает двигаться, а потом распадается на три пиона.

Рис. 40. Пояснение к рисунку выше

Особенно поразительно в этой последовательности то, что безмассовый, но наделенный большим количеством энергии фотон, который никак не обнаруживает своего присутствия в пузырьковой камере, внезапно взрывается, образуя пару заряженных частиц (позитрон и электрон), которые тут же начинают двигаться по расходящимся дугам. На рисунке 41 запечатлен процесс, в котором образование пары противоположно заряженных частиц из электрически нейтрального фотона происходит дважды.

Рис. 41. Последовательность событий, приводящих к образованию двухэлектронно-позитронных пар: каон К^— распадается на пион π^— и два фотона (γ), каждый из которых создает электронно-позитронную пару, при этом позитроны (е⁺) отлетают вправо, электроны (е^—) — влево

Чем значительнее энергия изначального столкновения, тем больше частиц может образоваться. На рисунке 42 показано столкновение между антипротоном и протоном, в результате которого возникает восемь пионов.

Рис. 42. Создание восьми пионов после столкновения между антипротоном (

) и протоном (присутствующим в пузырьковой камере)

А рисунок 43 показывает экстремальный случай: образование сразу 16 частиц после одного столкновения пиона и протона.

Рис. 43. Возникновение 16 частиц в процессе столкновения пиона с протоном

Все столкновения были воспроизведены искусственно в лабораторных условиях с использованием мощных ускорителей, где частицы разгонялись до высоких скоростей и им сообщалось большое количество энергии. В большинстве случаев в природных условиях на Земле невозможно создать такие энергетические потоки, которых достаточно для образования тяжелых частиц. В открытом космосе ситуация иная. В центре звезд сосредоточены крупные скопления субатомных частиц, между которыми постоянно происходят естественные столкновения, аналогичные столкновениям внутри современных ускорителей. В некоторых звездах эти процессы рождают очень мощное электромагнитное излучение, которое может принимать форму радиоволн, световых волн и рентгеновских лучей. Для астрономов это излучение — основной источник информации о Вселенной. Межзвездное, как и межгалактическое, пространство оказывается насыщенным электромагнитными излучениями разных частот, т. е. фотонными потоками с различной энергией. Но фотоны — не единственные частицы, которые постоянно бороздят просторы космоса. «Космическая радиация» состоит не только из фотонов, но и из тяжелых частиц, механизм образования которых до сих пор остается тайной. Большинство этих частиц составляют протоны; некоторые обладают очень большой энергией, намного превышающей ту, что сообщается им самыми мощными ускорителями.

Попадая в атмосферу Земли, эти обладающие большой энергией «космические лучи» сталкиваются с ядрами атомов, составляющих молекулы атмосферы, образуя множество вторичных частиц, которые либо распадаются, либо вступают в дальнейшие столкновения, рождая новые частицы, которые вновь сталкиваются и распадаются, пока последние из них не достигнут Земли. Так, один-единственный протон, попавший в атмосферу Земли, может породить каскад явлений, в ходе которых его исходная кинетическая энергия превратится в дождь разнообразных частиц и будет постепенно поглощаться по мере продвижения этих частиц к поверхности Земли. То же явление, которое мы можем наблюдать в физике высоких энергий в ходе экспериментов по сталкиванию частиц, происходит в атмосфере нашей планеты естественным путем. Причем в последнем случае его протекание характеризуется гораздо большей интенсивностью. Непрерывный поток энергии претерпевает на своем пути к Земле много изменений, частицы непрерывно возникают и исчезают в ритмичном танце творения и разрушения. На рисунке 44 представлено величественное изображение такого полного энергии танца, которое было зафиксировано случайно, когда дождь из космических лучей попал в пузырьковую камеру, которая участвовала в эксперименте, проводившемся в Европейском исследовательском центре ЦЕРН[217].