Интерес к тому, как возникла Вселенная (частью которой являемся мы сами) и каковы ее «элементарные» составные части (если они существуют), в мышлении человека отнюдь не нов. Идеи так называемых атомистов Левкиппа и Демокрита, живших в V в. до н. э., если сформулировать их на современном языке, уже содержат в зачаточном состоянии наше сегодняшнее понимание материи. Но лишь начиная с Эпикура (о чем поведал нам его последователь из «мирного сада» Лукреций), мы впервые встречаемся с мыслью о том, что за кажущейся сложностью и бесконечным разнообразием окружающего нас мира может скрываться внутренняя простота структуры, присущая тем уровням материи, которые недоступны нашему непосредственному восприятию. Эпикур жил в III—IV вв. до н. э., а Лукреций — в I в. н. э. Его великий труд «О природе вещей» (De Rerum Natura) представляет собой глубокие размышления относительно природы, морали и чувств.
Каким образом возникла и как устроена наша Вселенная? Она состоит из частиц, между которыми действуют силы, подчиняющиеся определенным законам. В сегодняшней Вселенной мы различаем феноменологически четыре вида сил:
а) тяготение (гравитация), действующее между всеми без исключения частицами и имеющее характер притяжения;
б) электрическая сила, которая, по определению, действует между электрически заряженными частицами и может иметь характер, как притяжения, так и отталкивания в зависимости от того, одинаковые или различные знаки имеют заряды взаимодействующих частиц. С электрической силой неразрывно связана магнитная сила, возникающая при движении электрического заряда (о чем нам известно со времен Фарадея и Максвелла, т. е. уже больше столетия); обе силы объединены общим названием — электромагнитная сила;
в) сильная, или ядерная, сила, действующая только между частицами, принадлежащими к классу адронов (примером служат протон и нейтрон, составляющие ядро атома), которая не зависит от электрических зарядов взаимодействующих частиц;
г) слабая сила, действующая между частицами другого класса — лептонами, примером которых служит электрон, действие этой силы тоже не зависит от электрического заряда, причем она действует также между лептонами и адронами и только между адронами.
Законы, которым подчиняются эти четыре силы природы, не все одинаковы. Так, все силы, по-видимому, удовлетворяют требованиям сохранения энергии и импульса. Однако при электромагнитных и сильных взаимодействиях не обнаруживается явного «предпочтения» по отношению к явлениям с левой и правой поляризацией (например, свет может иметь как правую, так и левую круговую поляризацию или спин частицы может быть ориентирован как вдоль, так и против ее движения). В то же время слабые силы не соблюдают эту столь «естественную» симметрию: в одних случаях они отдают явное предпочтение явлениям только левополяризованным, в других — только правополяризованным. Например, при бета-распаде электрон, самопроизвольно испускаемый нейтроном (который при этом превращается в про-топ) вследствие слабого взаимодействия, обладает преимущественно левовинтовой спиральностью. Это означает, что если наблюдать за его вращением (направлением спина) со стороны движущегося за ним протона, то оно выглядит происходящим против часовой стрелки.
Четыре основные силы различаются также и по характеру зависимости их интенсивности от расстояния между взаимодействующими частицами: гравитационная и электрическая силы убывают с расстоянием довольно медленно (они подчиняются знаменитому закону обратных квадратов). В противоположность этому сильное взаимодействие ослабляется значительно быстрее, его радиус действия составляет лишь около 10~13 см (при больших расстояниях это взаимодействие очень быстро становится пренебрежимо малым). Слабое взаимодействие в этом смысле также является короткодействующим, считается, что его радиус действия значительно меньше, чем у сильного взаимодействия. Описанные различия в радиусе действия и интенсивности можно проиллюстрировать, рассмотрев зависимость силы взаимодействия между двумя атомами водорода от расстояния между ними. Атом водорода представляет собой протон, вокруг которого на расстоянии порядка 1 A (10~8 см) движется электрон, в качестве меры удаления атомов друг от друга выберем расстояние между центрами протонов.
