Молекулярно-кинетические представления о строении вещества объясняют всё многообразие свойств жидкостей, газов и твёрдых тел. Между частицами вещества существуют электромагнитные взаимодействия - они притягиваются и отталкиваются друг от друга с помощью электромагнитных сил. На очень больших расстояниях между молекулами эти силы ничтожно малы.

Силы взаимодействия молекул

Но картина меняется, если уменьшать расстояние между частицами. Нейтральные молекулы начинают ориентироваться в пространстве так, что их обращённые друг к другу поверхности начинают иметь противоположные по знаку заряды и между ними начинают действовать силы притяжения. Это происходит, когда расстояние между центрами молекул больше суммы их радиусов.

Если продолжать уменьшать расстояние между молекулами, то они начинают отталкиваться в результате взаимодействия одноимённо заряженных электронных оболочек. Это происходит, когда сумма радиусов взаимодействующих молекул больше расстояния между центрами частиц.

То есть на больших межмолекулярных расстояниях преобладает притяжение, а на близких - отталкивание. Но существует определённое расстояние между частицами, когда они находятся в положении устойчивого равновесия (силы притяжения равны силам отталкивания). В этом положении у молекул минимальная потенциальная энергия. Молекулы также обладают кинетической энергией, так как находятся всё время в непрерывном движении.

Таким образом, прочность связей взаимодействия между частицами отличает три состояния вещества: твёрдое тело, газ и жидкость, и объясняет их свойства.

Возьмём воду в качестве примера. Размер, форма и химический состав частиц воды остаётся тем же самым, является ли она твёрдой (льдом) или газообразной (паром). Но то, как эти частицы движутся и расположены, различно для каждого состояния.

Твёрдые вещества

Твёрдые вещества сохраняют свою структуру, их можно расколоть или разбить, приложив усилие. Вы не можете пройти через стол, потому что и вы и стол являются твёрдыми. Твёрдые частицы обладают наименьшим количеством энергии из трёх традиционных состояний материи. Частицы расположены в определённой структурной последовательности с очень небольшим пространством между ними.

Они удерживаются вместе в равновесии и могут только вибрировать вокруг фиксированного положения. В связи с этим твёрдые вещества имеют высокую плотность и фиксированную форму и объем. Если оставить стол в течение нескольких дней в покое, он не расширится, и тонким слоем древесины по всему полу не заполнит комнату!

Жидкости

Так же, как в твёрдом веществе, частицы в жидкости упакованы близко друг к другу, но располагаются случайным образом. В отличие от твёрдых тел, человек может проходить через жидкость, это связано с ослаблением силы притяжения, действующей между частицами. В жидкости частицы могут перемещаться друг относительно друга.

Жидкости имеют фиксированный объём, но не имеют фиксированной формы. Они будут течь под действием гравитационных сил . Но некоторые жидкости более вязкие, чем другие. У вязкой жидкости сильнее взаимодействие между молекулами.

Молекулы жидкости обладают гораздо большей кинетической энергией (энергией движения), чем твёрдое тело, но гораздо меньше, чем газ.

Газы

Частицы в газах находятся далеко друг от друга и расположены случайным образом. Это состояние материи имеет самую высокую кинетическую энергию, так как между частицами практически отсутствуют силы притяжения.

Молекулы газов находятся в постоянном движении во всех направлениях (но только по прямой линии), сталкиваются друг с другом, и со стенками сосуда, в котором находятся, - это вызывает давление.

Газы также расширяются, чтобы полностью заполнить объём сосуда, независимо от его размера или формы - газы не имеют фиксированной формы или объёма.

Взаимодействие частиц вещества

Современная теория строения вещества опирается на пять основных положений.

1. Все вещества состоят из частиц.

Атом – мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая его свойства. Все известные химические элементы перечислены в таблице Менделеева. Молекула – мельчайшая частица вещества, сохраняющая его свойства. Молекула может состоять из одного или нескольких атомов.

2. Между частицами вещества есть промежутки.

3. Частицы вещества двигаются непрерывно и хаотично.

4. Движение частиц вещества становится интенсивнее с ростом температуры. Движение частиц вещества называют тепловым.

5. Частицы вещества взаимодействуют между собой: притягиваются и отталкиваются. Притяжение и отталкивание действуют одновременно и постоянно. Силы взаимодействия определяют свойства агрегатных состояний вещества. Так как в состав атомов и молекул входят частицы, обладающие электрическими зарядами, межмолекулярные взаимодействия имеют электромагнитную природу. Силы притяжения и отталкивания по-разному зависят от расстояния между частицами. На расстоянии, примерно равном размеру частицы, притяжение и отталкивание равны. Этому расстоянию соответствует наиболее устойчивое расположение частиц, с уменьшение расстояния преобладает отталкивание частиц. С увеличением – притяжение. На расстояниях, превышающих размер частицы в десять и более раз, силы взаимодействия ничтожно малы.

Каждое из пяти положений теории строения вещества имеет экспериментальные доказательства.

1. Фотографии веществ с большим увеличением. Такие явления, как стачивание, растворение, растекание жидкостей до образования тонких плёнок.

2. Фотографии вещества. Тепловое расширение веществ. Уменьшение суммарного объёма при смешивании различных жидкостей.

3. Диффузия и броуновское движение.

4. Возрастание скорости диффузии и интенсивности броуновского движения при увеличении температуры вещества.

5. Слипание веществ при их тесном контакте, упругие деформации, смачивание жидкостями твёрдых поверхностей.

Почему многие твердые тела обладают большой прочностью? На стальном тросе толщиной всего 25 мм можно поднять тепловоз. Трудно разделить на куски камень. Объяснить это можно притяжением частиц, из которых состоят твердые тела. Молекулы (атомы) в твердых веществах притягиваются друг к другу . Но почему тогда куски разбитого стеклянного стакана нельзя без клея соединить друг с другом в одно целое? В то же время куски пластилина легко можно соединить в один кусок. Проделайте этот опыт сами.

Объяснить эти факты можно, предположив, что притяжение молекул (атомов) проявляется лишь на малых расстояниях между ними. Действительно, если нагреть стеклянные куски так, чтобы стекло стало мягким, и прижать их друг к другу, они слипнутся в одно целое.

Притягиваются и молекулы жидкости. Проведем опыт. Подвесим на пружине чистую стеклянную пластинку и отметим положение нижнего конца пружины указателем (рис. 106, а). Поднесем к пластинке сосуд с водой до соприкосновения с поверхностью воды (рис. 106, б), после чего будем опускать сосуд до отрыва пластинки. Растяжение пружины увеличится, что указывает на притяжение частиц жидкости (воды) в сосуде и на поверхности стеклянной пластины.

Рис. 106

А вот молекулы (атомы) газа практически не притягиваются друг к другу. В газах частицы находятся на расстояниях, больших, чем в жидкостях и твердых телах. Притяжение на этих расстояниях ничтожно мало. Поэтому молекулы газа разлетаются по всему предоставленному газу объему. Например, запах духов из открытого флакона распространяется по всей комнате.

А есть ли между молекулами отталкивание?

Возьмите сплошной резиновый мячик и попробуйте его сжать (рис. 107, а). Легко ли это сделать? Стоит только перестать сжимать мячик, как он тут же восстанавливает свою форму (рис. 107, б). Значит, между частицами мячика существует отталкивание . Именно отталкивание частиц затрудняло сжатие мячика, оно же восстановило его первоначальную форму.

Рис. 107

Очень важно понять, что притяжение и отталкивание частиц вещества проявляется лишь на малых расстояниях между частицами, т. е. в твердых телах и жидкостях, и заметно меняется при изменении этих расстояний. Описывая взаимодействие молекул, будем их моделировать шариками. Так, на определенных расстояниях притяжение двух молекул компенсируется (уравновешивается) отталкиванием (рис. 108, а). При отдалении молекул (рис. 108, б) отталкивание становится меньше притяжения, а при сближении молекул (рис. 108, в) отталкивание становится больше притяжения.

Рис. 108

Взаимодействие двух молекул в теле условно можно сравнить со взаимодействием двух шариков, скрепленных пружиной (рис. 109, а). При расстояниях r > r 0 (пружина растянута) шарики притягиваются друг к другу (рис. 109, б), а при расстояниях r < r 0 (пружина сжата) - отталкиваются (рис. 109, в).

Рис. 109

Хотя эта модель наглядна, но имеет недостаток: в ней между шариками проявляется или притяжение, или отталкивание. Между частицами вещества притяжение и отталкивание существует одновременно! На одних расстояниях (при отдалении частиц) преобладает притяжение, а на других (при сближении) - отталкивание.

Подумайте и ответьте

1. Какие известные вам факты объясняются взаимным притяжением частиц вещества? Взаимным отталкиванием?
2. Почему газ всегда занимает весь предоставленный объем?
3. Почему металлический трос растянуть гораздо труднее, чем резиновый таких же размеров?
4. В медицинский шприц (без иголки) наберите воду. Закройте пальцем отверстие и сжимайте поршнем воду. Почему вода практически не сжимается?
5. Сожмите ластик и отпустите. Что заставило ластик вернуться к первоначальной форме и размерам?
6. Покажите на опыте, что сухие листы бумаги не прилипают друг к другу, а смоченные водой - прилипают. Объясните наблюдаемый эффект.
7. Смочите два листочка бумаги: один - водой, другой - растительным маслом. Слипнутся ли они? Предложите гипотезу, объясняющую данное явление.

Сделайте дома сами

1. Приведите в соприкосновение два куска парафиновой свечи. Соединились ли они? Почему?
2. Нагрейте конец одного куска свечи на пламени спиртовки (или другой свечи) до мягкого состояния. Соедините куски. Что получилось в результате? Почему?

Интересно знать!

Если аккуратно ножом или лезвием зачистить торцы двух свинцовых цилиндров и плотно прижать их друг к другу, то цилиндры «слипаются». Взаимное притяжение цилиндров настолько велико, что они могут удерживать гирю массой m = 5 кг (рис. 110).

Рис. 110

«Слипание» свинцовых цилиндров доказывает, что частицы веществ способны притягиваться друг к другу. Однако это притяжение возникает лишь тогда, когда поверхности тел очень гладкие (для этого и понадобилась зачистка лезвием). Кроме того, тела должны быть плотно прижаты друг к другу, чтобы расстояния между поверхностями тел было сравнимо с расстоянием между молекулами.

с. 1
§ 6. Каковы свойства мельчайших частиц вещества?

Исследование разных веществ показали, что между атомами и молекулами в веществе есть промежутки, В этом вы убеждаетесь, когда пьете чай с сахаром. Если аккуратно насыпать сахарный песок в полный стакан с горячим чаем, то чай из стакана не будет выливаться. Это возможно лишь потому, что молекулы сахарозы заняли промежутки между молекулами воды, подобно тому, как не пересыпаясь через край, займут промежутки между картофелем горошинки, если мы захотим добавить в ведро картофеля пару стаканов гороха. Промежутки между молекулами сравнимы с размерами самих молекул, т.е. очень малы. Проведенные вами следующие опыты помогут вам убедиться в существовании этих межмолекулярных промежутков.

Сожмите шарик, заполненный воздухом. Вы легко это сделаете, так как межмолекулярные промежутки уменьшаются. Молекулы воздуха не изменяются, а только сближаются.

Теперь возьмем колбу, в которой есть воздух, закроем ее пробкой с вставленной в нее трубочкой, в которой находится капля подкрашенной жидкости. При нагревании колбы капелька жидкости будет подниматься по трубке. Это происходит потому, что при нагревании воздуха расстояния между молекулами увеличиваются, а значит увеличивается объем газа, и он перемещает каплю вверх.

Это явление учитывают при строительстве железных дорог, когда оставляют зазоры на рельсах. Летом рельсы нагреваются и расширяются. Поэтому, если бы не было зазоров, то рельсы могли бы лопнуть или изогнуться то привело бы к аварии поездов. (Вы нередко наблюдали, как убегает из кастрюли молоко или горячая вода из чайника, до краев наполненного. Это тоже примеры, доказывающие, что между молекулами и атомами в веществе есть промежутки.

Частицы вещества (атомы и молекулы) непрерывно, беспорядочно движутся.

В этом нас убеждает повседневный опыт. Не выходя из комнаты, мы знаем, что нам готовит мама на обед. Запах пирожков или кофе легко распространяется по всей квартире. Если же мы откроем флакон с духами, то очень скоро их запах распространится по комнате. Зацвела сирень, и ее чудный аромат ощущается во всем саду.

Как объяснить распространение запаха?

Оказывается, молекулы веществ движутся. При этом они сталкиваются с молекулами воздуха, беспорядочно перемещаясь, они распространяются в определенному пространстве и перемешиваются с молекулами газов, воздуха. Наблюдаемое явление называют диффузией .

Таким образом, диффузия - это взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга, происходящее из-за беспорядочного движения частиц вещества.

Диффузия является одним из основных доказательств непрерывного, беспорядочного движения частиц вещества (атомов и молекул).

При диффузии частицы одного вещества стремятся равномерно распределиться между частицами другого вещества.

Диффузия происходит в любых телах, но с разной скоростью. Наблюдая за этим явлением, ученые установили, что скорость движения молекул зависит от температуры. Чем выше температура, тем быстрее происходит диффузия, а значит быстрее движутся молекулы. И все-таки запах мы ощущаем не сразу, а через несколько минут, так как молекулы газа испытывают соударения с другими молекулами и движутся по очень сложной линии.

В жидкостях скорость движения молекул меньше, чем в газах. Если мы не будем размешивать чай, то сладким он станет дня через два. Для того чтобы диффузия произошла в твердых телах потребуются годы. Например, было замечено, что в старых зданиях часто невозможно отделить болты, скрепляющие детали между собой, так как они "срастаются" друг с другом.

Интересный факт. Молекулы вещества очень малы, поэтому увидеть их движение даже используя микроскоп невозможно. Зато можно разглядеть, как молекулы жидкости «подталкивают» более крупные частички, если рассматривать каплю загрязненной воды. Впервые это явление наблюдал в 1827 г. английский ботаник Роберт Броун. Он рассматривал в микроскоп размешенную в воде цветочную пыльцу.

В поле зрения прибора взад и вперед сновали темные частички. Крупные двигались не спеша, мелкие прыгали быстро и беспорядочно.

Броун был настоящим ученым и, столкнувшись с непонятным явлением, добросовестно исследовал его. Он убедился, что путь этих частичек случаен, и обнаружил, что в горячей воде они движутся быстрее, чем в холодной.

Но Броун был ботаником, и объяснить увиденное физическое явление он не смог. Это удалось лишь А. Эйнштейну в 1905 г. Беспорядочное, хаотическое движение частиц вещества получило название броуновское движение частиц.

Какова роль диффузии в живой природе?

Диффузия имеет большое значение в жизни человека, животных и растений. Благодаря диффузии осуществляется обмен газов в легких и тканях живых организмов, то есть процесс дыхания. При выдохе удаляется углекислый газ, а при вдохе с воздухом поступает кислород, который из легких попадает в кровь путем диффузии. Без диффузии не обходится процесс питания во всех организмах. Частицы питательных веществ всасываются микроворсинками кишечника и через капилляры (мельчайшие сосуды) попадают в кровь. В жизни некоторых живых организмов большое значение имеет дыхание через кожу, которое осуществ­ляется опять-таки за счет диффузии.

В садоводстве широко используется внекорневая подкормка растений путем опрыскивания их кроны. В этом случае диффузия - проникновение питательных веществ в растение происходит через листы и быстрее, чем через корневую систему. Благодаря диффузии происходит также питание растений, корневая система которых всасывает вещества, находящиеся в почве.

За счет диффузии из воздуха в воду природных водоемов и аквариумов поступает кислород, который жизненно необходим их обитателям.

Между атомами и молекулами в веществе есть промежутки. Частицы вещества находятся в непрерывном, беспорядочном движении, что является доказательством диффузии.

Диффузия происходит в любых телах (газообразных, жидких и твердых), но с разной скоростью, которая увеличивается с повышением температуры и уменьшается с ее понижением.

Диффузия имеет большое значение в жизни любого живого организма.

Диффузия

Проверьте свои знания

1. Какими свойствами обладают мельчайшие частицы вещества?

2. Докажите существование промежутков между мельчайшими частицами вещества.

3. Чем опасен разлив нефти по поверхности водоема?

4. Что называют диффузией?

5. В каких телах происходит диффузия и от чего зависит ее скорость?

6. Расскажите о значении диффузии в природе и жизни организмов.

§ 7. Как взаимодействуют частицы вещества?

Попытайтесь растянуть деревянный брусок или камень. Вряд ли у вас это получится. Почему? Потому что частицы вещества взаимодействуют друг с другом. В данном случае они сильно притягиваются. Разрывая лист бумаги, раскалывая полено, мы прикладываем некоторое усилие, потому что мы разъединяем множество притягивающихся друг к другу частиц вещества. Благодаря взаимному притяжению частиц твердые тела не рассыпаются на отдельные молекулы.

Но молекулы не только притягиваются, они еще и отталки­ваются. Эти силы, например, мешают сжатию тел. Попробуйте сжать резиновый ластик. Что у вас получилось? Как вы думаете, почему? Сжать ластик было довольно трудно, так как этому препятствует отталкивание молекул. Силы межмолекулярного взаимодействия (притяжение и отталкивание) мы наблюдаем постоянно. Например, как сливаются вместе дождевые капли. Если прижать две тщательно отполированные металлические пластинки, то отделить их друг от друга будет сложно. Но разорванный лист бумаги снова соединить по линии разрыва невозможно, так как край бумаги очень тонкий и неровный. Однако большие пачки бумаги, если они длительное время хранятся, то листы такой бумаги будет трудно отделить один от другого. Значит, притяжение проявляется на очень незначительных расстояниях между частицами. На расстояниях в одну миллионную часть миллиметра притяжение между молекулами практически исчезает. На еще меньших расстояниях проявляется отталкивание. Без применения каких-либо усилий к телам притяжение и отталкивание между молекулами их веществ уравновешены.

Итак, частицы вещества взаимодействуют друг с другом, они притягиваются и отталкиваются.

Интересный факт. Взаимодействуют друг с другом не только молекулы одного и того же вещества. Благодаря такому взаимодействию мы можем склеивать, сваривать, красить. Камень, опущенный в воду, становится мокрым потому, что притяжение между молекулами воды и камня сильнее, чем между молекулами камня друг с другом. А вот воск не смачивается водой. Восковой налет на листьях не дает залить воде устьица, и дыхание растений не нарушается.

Агрегатные состояния вещества.

Вещество в земных условиях встречается в трех состояниях: жидком, твердом и газообразном. Вы это прекрасно знаете на примере воды. Водяной пар, лед и жидкая вода - это разные состояния одного и того же вещества. Наверняка вам хорошо известен выделяющийся при дыхании и горении углекислый газ, и уж точно каждый видел сухой лед у продавцов мороженого, а вот о том, что это твердый углекислый газ, знают не все. Кислород при нормальных условиях - газ, а при сильном охлаждении он сжижается, а затем и затвердевает. Значит, любое вещество при определенных условиях может быть жидким, твердым и газообразным, при этом химический состав вещества не изменяется. Такие состояния называются агрегатными состояниями вещества .

Как вы думаете, чем будут различаться разные состояния вещества, если химический состав их остается неизменным? Конечно же, расположением, взаимодействием и движением молекул. Твердые тела, как правило, кристаллические. Например: кварц, алмаз, поваренная соль, металлы, снежинки, представляющие собой кристаллики льда. Все они имеют правильную форму.

Молекулы в таких телах расположены близко друг к другу в строгом порядке, прочно удерживаются на своих местах, совершая «бег на месте», лишь изредка перескакивая и меняя свое положение. Этим и объясняется то, что твердые тела сохраняют форму и объем. В обычных условиях их трудно сжать или растянуть, согнуть или разорвать.

Как вам известно, при повышении температуры движение молекул становится быстрее, «прыжки» на другое место становятся чаще, да и расстояние между молекулами увеличивается. Взаимодействие между молекулами ослабевает, вещество становится текучим. Этим и объясняются основные свойства жидкостей: они плохо сжимаемы, текучи, сохраняют объем, но легко меняют форму.

Если жидкость оставить открытой, то она постепенно испарится. Это происходит потому, что вещество перейдет из одного состояния (жидкого) в другое - газообразное. В газах молекулы расположены «очень далеко» друг от друга (в сравнении с их собственными размерами ). Поэтому взаимодействуют они слабо и движутся в любых направлениях неограниченно далеко друг от друга. По этой причине газы не сохраняют форму и объем, могут неограниченно расширяться и легко сжиматься.

Молекулы в веществе взаимодействуют: притягиваются или отталкиваются. Силы межмолекулярного взаимодействия проявляются на очень незначительных расстояниях между частицами вещества. Взаимное расположение, взаимодействие и характер движения молекул определяют агрегатное состояние вещества.

Агрегатное состояние вещества * Силы межмолекулярного взаимодействия: притяжение и отталкивание.

Проверьте свои знания

1. Назовите силы межмолекулярного взаимодействия. Приведите примеры этих сил.

2. Поместим под колоколом воздушного насоса слабо надутый шарик. Если откачивать воздух из-под колокола, шарик раздуется. Почему?

3. На каких расстояниях проявляются силы межмолекулярного взаимодействия?

4. Объясните, почему твердые тела хорошо сохраняют форму и объем?

5.В каких состояниях может находиться вещество? Приведите примеры.

6. Какие состояния вещества называют агрегатными?

7. Объясните, почему жидкости обладают малой сжимаемостью, не сохраняют свою форму?

8. Объясните, почему газы не сохраняют форму и объем, легко сжимаются?
с. 1

частица атом элементарный кварк

Важнейший вопрос физики - вопрос о взаимодействиях. Если бы не взаимодействия, то частицы материи двигались бы независимо, не подозревая о существовании других частиц. Благодаря взаимодействиям частицы обретают, как бы способность распознавать другие частицы и реагировать на них, благодаря чему рождается коллективное поведение. Поскольку вся материя состоит из частиц , для объяснения природы сил необходимо, в конечном счете, обратиться к физике элементарных частиц. Сделав это, физики обнаружили, что все взаимодействия, независимо от того, как они проявляются в больших масштабах, можно свести к четырем фундаментальным типам: гравитационному, электромагнитному и двум типам ядерных.

На уровне кварков доминируют ядерные взаимодействия . Сильное взаимодействие связывает кварки в протоны и нейтроны и не дает ядрам разваливаться. На уровне атомов преобладает электромагнитное взаимодействие , связывающее атомы и молекулы. В астрономических масштабах господствующим становится гравитационное взаимодействие .

В последние годы физики заинтересовались соотношением между четырьмя фундаментальными взаимодействиями, которые в совокупности управляют Вселенной. Существует ли между ними какая-либо связь? Не являются ли они всего лишь различными ипостасями единственной основополагающей суперсилы ? Если такая суперсила существует, то именно она представляет собой действующее начало всякой активности во Вселенной - от рождения субатомных частиц до коллапса звезд. Разгадка тайны суперсилы невообразимо увеличила бы нашу власть над природой и даже позволила бы объяснить само «сотворение» мира.

Мы уже знаем, что элементарные частицы взаимодействуют друг с другом посредством других частиц, которые они непрерывно испускает и поглощает. Слои этих частиц экранируют заряды, поэтому частица с различных высот до нее выглядит заряженной по-разному. Именно так, всегда различно заряженными, видят друг друга сталкивающиеся частицы. Чем больше их энергия, тем глубже они проникают друг в друга и тем отчетливее ощущают «дыхание» их центральных неэкранированных зарядов. Поэтому можно ожидать, что с ростом энергии различные типы взаимодействий будут становиться все более похожими и при высоких энергиях сольются в одно-единое взаимодействие - суперсилу. Произойдет «великое объединение» всех сил природы.

Реальное положение дел несколько сложнее. Экранирующие облака образуются не только вокруг заряда, но и вокруг каждой частички-переносчика, которыми прощупывают друг друга сталкивающиеся частицы. Если переносчики взаимодействия очень тяжелые, то взаимодействие переносится на ультрамалые расстояния. Вдали от центра такие частицы почти не встречаются и связанное с ними взаимодействие проявляется очень слабо. В других случаях переносчики легкие (например, фотоны), они способны далеко уйти от испустившего их заряда, и с их помощью происходит взаимодействие на больших расстояниях.

Таким образом, не только частицы, но и силы, связывающие их, оказываются необычайно сложными. Простейшими точками их уже никак не назовешь! И трудно поверить, что сила тяготения двух электронов и в миллиарды большая сила их электромагнитного отталкивания - ветви одного дерева.

К идее «великого объединения» физики пришли совсем недавно - каких-нибудь двадцать-тридцать лет назад, хотя первый шаг сделали еще Фарадей и Максвелл, объединившие электричество и магнетизм, которые как тогда считалось, совсем разные взаимодействия. Они же ввели и понятие «поля». Фарадей доказал, что электричество и магнетизм - два компонента одного и того же электромагнитного поля.

Следующий шаг на пути к «великому объединению» был значительно более трудным. Он был сделан лишь в середине 60-х годов ХХ века. Внимание физиков привлекло тогда слабое взаимодействие. Оно обладало странной особенностью: для всех других сил можно указать промежуточное поле, кванты которого служат переносчиком взаимодействия, а в распадных процессах частицы «разговаривают» так сказать, напрямую, без всяких посредников, толкая друг друга как бильярдные шары.

Естественно предположить, что в этом случае тоже происходит обмен между частицами, но только такими тяжелыми, что весь процесс происходит на очень малых расстояниях, и со стороны это выглядит как будто частицы просто толкают друг друга.

Расчеты показали: если бы не большая масса промежуточных частиц, то такое взаимодействие по своим свойствам было бы очень похожим на электромагнитное. И вот трое физиков: Абдус Салам, Стив Вайнберг и Шелдон Глешоу допустили, что фотон и тяжелые промежуточные частицы слабого взаимодействия - это одна и та же частица, только в разных «шубах». Разработанную ими теорию стали называть «электрослабой», поскольку она, как частный случай, содержит электродинамику и старую теорию слабых взаимодействий. Вскоре на ускорителях были выловлены тяжелые кванты электрослабого поля - три брата-мезона с массой, почти в сто раз больше протонной. Создание теории электрослабого поля и экспериментальное открытие его переносчиков было отмечено сразу двумя Нобелевскими премиями.

Вдохновленные открытием электрослабого поля, физики увлеклись новой идеей дальнейшего объединения - слияние сильного взаимодействия с электрослабым. Суть этой идеи в следующем. Каждый кварк обладает аналогом электрического заряда, названный цветом. В отличие от заряда, видов цветов у кварка - три. Поэтому глюонное поле более сложное. Оно состоит из восьми составляющих силовых полей. В типичном адроне - протоне или нейтроне - комбинация трех кварков - красного, зеленого и синего - всегда имеет «белый» цвет. Испускаемые мезоны содержат пары кварк-антикварк, поэтому они тоже «бесцветны». Так как мы знаем, что при взаимодействиях частиц происходит экранировка их зарядов, то это и приводит к тем эффектам различия в дальности взаимодействий различных видов частиц. Оценка расстояния, при котором все взаимодействия становятся сравнимы по величине, составляет около 10 в -29 степени сантиметров. Переносчик взаимодействия - Х-частица - обладает массой, равной примерно 10 в 14 степени масс протона. На протяжении того ничтожного отрезка времени, какой существует Х-частица, энергия и масса имеют громадную неопределенность. И в этом отношении мы похожи на Фалеса и других греческих философов, которые размышляли о свойствах атомов, не имея ни малейшей надежды хоть когда-нибудь увидеть их.

Элементарные частицы нельзя разделить на более простые части (именно поэтому их и назвали «элементарными»). В любых известных сегодня реакциях эти частицы лишь переходят друг в друга - взаимопревращаются. Причем из легких могут родиться более тяжелые частицы - если они движутся с достаточной скоростью (кинематическая энергия переходит в массу)

Элементарные частицы различаются по заряду, спину, массе, времени жизни и так далее. Например, время жизни протона больше времени жизни Вселенной, а ро-мезон живет 10 в -23 степени секунды. Масса фотонов и нейтрино равна нулю, а масса еще не открытого, но предсказанного теоретиками максимона (самой тяжелой элементарной частицы, которая только может существовать) - что-то около микрограмма - как у крупной, видимой глазом пылинки. Их можно разбить на семейства, и членов каждого рассматривать как различные состояния одной и той же частицы. Семейства объединяются в более сложные группы - кланы, или мультиплеты. Но главное - мультиплеты связаны определенными правилами симметрии. В целом получается что-то вроде периодической таблицы элементарных частиц, наподобие Менделеевской. Можно предполагать, физики нащупали следующий ярус строения материи.

Большую роль в развитии знаний сыграли ускорители элементарных частиц. Электронное просвечивание показало, что протон на самом деле не точка, а довольно крупный объект радиусом около 10 в -13 степени сантиметров. Анализируя результаты новых опытов по рассеянию электронов, ученые сделали вывод, что нуклоны являются роем каких-то очень мелких частичек, которые при меньшем увеличении выглядят как сгусток накладывающихся и проникающих друг в друга мезонов и других элементарных частиц. Теоретики, занимавшиеся классификацией частиц, обрадовались, так как уже давно догадывались о существовании таких частиц, только называли их по-своему: кварки.

Когда кварки замелькали на страницах теоретических статей, многие ученые считали их всего лишь неким курьезом, временными строительными лесами на пути к более совершенной теории. Однако не успели физики оглянуться, как оказалось, что с помощью кварков очень просто и наглядно объясняются самые различные экспериментальные факты, а теоретические вычисления сильно упрощаются. Без кварков стало просто невозможно обойтись, также как без молекул и атомов.

Опыты по зондированию нуклона доказали, что в центре элементарной частицы кварки почти не связаны взаимодействием и ведут себя как плавающие в воздухе воздушные шарики. Если же они попытаются разойтись, то сразу же возникают стягивающие их силы. На периферии кварки могут находиться лишь в форме связанных сгустков - например, в виде пи-мезонов, что согласуется с теорией ядерного взаимодействия на основе мезонов. Но как взаимодействуют друг с другом кварки? Так как другого способа организовать взаимодействие, чем посредством передачи частицы-носителя взаимодействия, наука не знает, то были предложены глюоны - склеивающие кварки частицы. Глюоны похожи на фотоны, только с зарядом. Фотон никакого поля вокруг себя не создает, поэтому наибольшую интенсивность поле имеет возле своего источника - заряда, дальше оно постепенно рассеивается и ослабевает. Глюон же своим зарядом рождает новые глюоны, те в свою очередь - следующие и так далее, поэтому глюонное поле не ослабевает, а наоборот, возрастает при удалении от породившего его кварка. Удаляющийся кварк, как пеной обрастает новыми глюонами и их связь становится более сильной.

Физика элементарных частиц представляет собой удивительный сплав эксперимента и теории. Свойства мельчайших частиц вещества установлены и продолжают устанавливаться в экспериментах, по сложности не имеющих себе равных в других областях науки. Эти уникальные эксперименты сочетают поистине индустриальный размах с ювелирной точностью. В большинстве случаев сами объекты исследования - частицы - создаются тут же в лаборатории с помощью ускорителей и живут столь ничтожные промежутки времени, что по сравнению с ними мгновение кажется вечностью. Случай какого-нибудь редкого распада частицы приходится находить среди миллиардов похожих на него «неинтересных» распадов. Все сведения об элементарных частицах добываются в результате тщательных измерений.