В зависимости от их отношения к сильному взаимодействию (о четырех типах фундаментальных взаимодействий речь у нас впереди) фермионы, в свою очередь, подразделяются на два семейства. Те фермионы, которые принимают участие в процессах с сильным взаимодействием, называются кварками (протоны и нейтроны состоят из кварков), а все остальные, в сильных взаимодействиях не участвующие, – лептонами. Электрон входит в семейство лептонов; кроме него там помещаются еще пять частиц – электронное нейтрино, мюон, мюонное нейтрино, тау-нейтрино и тау-лептон. Кварков тоже насчитывается шесть разновидностей – и-кварк, d-кварк, с-кварк, s-кварк, t-кварк и b-кварк. Таким образом, кирпичами мироздания, строительными блоками материи, которую мы повсеместно наблюдаем, являются 12 фундаментальных частиц – 6 кварков и 6 лептонов.

Среди бозонов, являющихся переносчиками фундаментальных взаимодействий и создающих силы, действующие между частицами вещества, наиболее известны фотоны, 8 разновидностей глюонов, 3 вида тяжелых векторных бозонов (W+-бозон, W--бозон и Z0-бозон) и пока еще не открытый гравитон.

Остается добавить, что в современной теории поля частицы выступают как мелкомасштабные волны соответствующих полей. Например, электромагнитное излучение может восприниматься и как волна (скажем, в случае радиоволн), и как частица (жесткие гамма-кванты). Если длина волны электромагнитного излучения значительно превышает размеры прибора, то она регистрируется как непрерывная волна, то есть бегущие колебания электрического и магнитного полей. В противном случае (при малой длине волны) прибор фиксирует свет в виде отдельных квантов – фотонов. Тогда говорят уже не о длине волны, а об энергии фотона. Классический пример корпускулярно-волнового дуализма.

Фермионы, из которых построено вещество Вселенной, – отнюдь не безучастные статисты на этом празднике жизни. Они взаимодействуют между собой, а в роли переносчиков взаимодействия (или сил, действующих между частицами вещества) выступают бозоны. Чтобы создать все многообразие явлений, природе потребовалось круглым счетом четыре типа взаимодействий – электромагнитное, слабое, сильное (или ядерное) и гравитационное. Имеются серьезные основания полагать, что первые три типа взаимодействий при некоторых условиях могут объединяться в одну силу, а раздельно они существуют только при низких уровнях энергии. К настоящему времени построена модель электрослабого взаимодействия (электромагнитное + слабое), а частицы-переносчики этой единой силы обнаружены экспериментально (три вида тяжелых векторных бозонов). Теория, объединяющая три силы в одну (электрослабое взаимодействие + сильное), называется теорией великого объединения, однако потребный для этого уровень энергий недоступен современным ускорителям. При еще более высоких энергиях собираются воедино все четыре силы природы. Такие условия существовали в очень юной Вселенной, когда мир еще только выпархивал из небытия.

Разберем четыре типа фундаментальных взаимодействий по порядку. Электрические и магнитные явления имеют общее происхождение и описываются в рамках электромагнитного взаимодействия, которое так или иначе связано с обменом или излучением фотонов (квантов электромагнитного излучения). Впервые это показал выдающийся английский физик Джеймс Максвелл еще в 1873 году. Электромагнитные силы действуют только между заряженными частицами (одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются). Радио, телевидение, сотовая связь и многие другие удобные и полезные вещи немыслимы без феномена электромагнетизма, поскольку эти силы, основанные на противоборстве двух полярных начал, способны распространяться на значительные расстояния. Более того, атомы и молекулы, из которых построено вещество, тоже обязаны своим существованием электромагнитному взаимодействию. Силы электромагнитного притяжения удерживают электроны внутри атомов, заставляя их вращаться вокруг атомного ядра. В роли переносчика электромагнитных сил выступает безмассовая частица со спином 1 – фотон (физики говорят, что масса покоя фотона равняется нулю).

Взаимодействие между двумя заряженными частицами (притягиваются они или отталкиваются, в данном случае роли не играет) представляет собой результат обмена большим числом так называемых виртуальных фотонов. В отличие от «реальных» частиц, их виртуальные сестры принципиально ненаблюдаемы, их невозможно зарегистрировать при помощи детектора. Поясним сказанное на примере. Вообразим себе некий закрытый контейнер, внутри которого ничего нет, – ни излучения, ни вещества. Другими словами, там содержится только вакуум, абсолютная пустота. Но чтобы удостовериться, что контейнер действительно пуст, мы должны осветить его нутро – послать туда луч света. А поскольку свет распространяется с конечной скоростью, процесс измерения займет некоторое время. Сказать с полной определенностью, что контейнер пуст, мы сможем только в тот момент, когда вернувшийся из контейнера световой пучок достигнет нашего детектора. При этом у нас нет никакой уверенности, что контейнер оставался пустым все время на протяжении процедуры измерения. Не исключено, что энергия вакуума могла колебаться (флуктуировать) около нуля, порождая короткоживущие частицы-призраки, которые гибнут раньше, чем мы успеваем их засечь. Они выныривают из пустоты и вновь прячутся в ней настолько стремительно, что мы не можем обнаружить их в принципе, даже если располагаем самой совершенной измерительной аппаратурой. Такие частицы принято называть виртуальными.

Разумеется, не все фотоны виртуальны. Кванты света, которые высвобождаются в результате перехода электрона с орбиты на орбиту, представляют собой вполне реальные фотоны. Аналогичным образом при соударении реального фотона с атомом электрон может перескочить на более удаленную от ядра орбиту. В этом случае энергия фотона будет поглощена. Итак, подытожим: электромагнитная сила действует между всеми частицами, несущими электрический заряд, а ее переносчиками являются виртуальные фотоны. А поскольку масса покоя фотона равна нулю, электромагнитное взаимодействие может передаваться на большие расстояния.

Слабое взаимодействие отвечает за некоторые превращения в мире элементарных частиц. Хороший пример сил этого типа – так называемый бета-распад нестабильных атомных ядер, в результате которого внутриядерный нейтрон превращается в протон, а из ядра вылетают электрон и антинейтрино. В слабом взаимодействии участвуют все частицы со спином 1/2 (то есть все фермионы), а его переносчиками являются тяжелые векторные бозоны со спином 1 (W+-бозон, W--бозон и Z0-бозон). Поскольку векторные бозоны – чрезвычайно массивные частицы (они тяжелее протона почти в 100 раз), слабое взаимодействие эффективно только на сверхмалых расстояниях порядка 10-16– 10-17см. Как уже говорилось, слабое взаимодействие удалось объединить с электромагнитным. Это было сделано в стандартной модели Вайнберга – Салама, о которой подробно рассказывается в главе «И тьма пришла». Слабое взаимодействие имеет самое непосредственное отношение к термоядерным реакциям, в ходе которых водород в звездных недрах превращается в гелий, а также к некоторым другим процессам, сопровождающим эволюцию звезд разных типов.

Сильное (или ядерное) взаимодействие удерживает кварки внутри нуклонов, а протоны и нейтроны – внутри атомного ядра, преодолевая силы кулоновского отталкивания (протоны имеют одноименный заряд). Как мы помним, существует шесть разновидностей (или ароматов) кварков – и-кварк, d-кварк, с-кварк, s-кварк, t-кварк и b-кварк. Их названия образованы от английских слов up – «вверх», down – «вниз», charm – «очарование», strange – «странный», truth – «правдивый» и beautiful – «прекрасный». Видимо, физиков утомили латынь и греческий, и они решили назвать фундаментальные кирпичи верхними, нижними, очарованными, странными, правдивыми и прекрасными частицами. Протоны и нейтроны представляют собой кварковые триплеты, однако в их состав входят только кварки двух ароматов – und. Протон построен из двух u-кварков и одного d-кварка, а нейтрон – из двух d-кварков и одного u-кварка. А поскольку d-кварк чуть увесистее u-кварка, нейтрон немного тяжелее протона. Разница в их зарядах (протон заряжен положительно, а нейтрон заряда не имеет) тоже объясняется особенностями внутреннего строения, так как кварки несут дробный электрический заряд (2/3 и -1/3). Таким образом, из трех кварков, два из которых имеют заряд плюс 2/3, а один – минус 1/3, получается протон с зарядом +1. А нейтрон состоит из одного кварка с зарядом 2/3 и двух с зарядом минус 1/3, поэтому в результате выходит ноль. Из кварков других типов (странного, очарованного, b и t) тоже можно строить частицы, но они оказываются нестабильными и быстро распадаются на протоны и нейтроны.