В поисках фундаментальных составляющих материи исследователи за последние сто лет обнаружили четыре уровня ее организации. Сначала было показано, что все вещество состоит из атомов. Затем установлено, что каждый атом имеет плотное ядро, окруженное электронным облаком. В свою очередь ядра удалось расщепить на компоненты — протоны и нейтроны. Сравнительно недавно стало ясно, что протон и нейтрон также сложные частицы: они построены из более мелких объектов, называемых кварками. Что будет дальше? Вполне возможно, что эта последовательность достигнет предела и кварки окажутся неделимыми.
Лептоны — класс частиц, в который входит электрон, — также могут оказаться элементарными и неделимыми. Однако некоторые физики не уверены окончательно в том, что уже раскрыты сокровенные тайны строения материи. Они начали задумываться над тем, не обладают ли кварки и лептоны тоже внутренней структурой. Основным стимулом к рассмотрению более глубокого структурного уровня материи явилось убеждение (или, возможно, заблуждение), что число ее фундаментальных составляющих должно быть небольшим. Экономия — это руководящий принцип, хорошо служащий физике с давних пор и до наших дней.
Впервые список основных компонентов вещества стал невероятно большим еще в конце XIX в., когда число химических элементов (т. е. различных атомов) приблизилось к 100. Открытие строения атома решило эту проблему, и к 1935 г. Элементарных частиц стало уже четыре (протон, нейтрон, электрон и нейтрино). Столь «экономное» представление об устройстве окружающего нас мира было разрушено в 50-е и 60-е годы. Оказалось, что протон и нейтрон входят в обширное семейство частиц, называемых ныне адронами. К середине 60-х годов число фундаментальных частиц снова возросло примерно до 100.
На этот раз ситуацию упростило введение модели кварков. В первоначальном варианте этой модели любой адрон можно было представить как систему, состоящую из кварков трех сортов. Разнообразие известных кварков и лептонов вызвало интерес к идее о возможности построения более простой модели. Первоначально в модели было только три сорта кварков, а сейчас их по крайней мере восемнадцать. Надо еще добавить шесть лептонов и дюжину других частиц, которые служат переносчиками различных взаимодействий.
Три дюжины основных компонентов вещества смущают некоторых физиков — на их взгляд, это слишком много. К тому же нет уверенности, что не будут открыты дополнительные кварки и лептоны. Надо подчеркнуть, что в настоящее время не получены экспериментальные данные о внутренней структуре кварков и лептонов. Так, лептоны были исследованы до расстояний порядка 10/-16 см, и не получено фактов, противоречащих предположению, что лептой — точечная (т. е. лишенная внутренней структуры) частица.
Изучать в свободном состоянии кварки и тем более исследовать их внутреннюю структуру вообще невозможно. Даже построение теоретических представлений о существовании субчастиц сталкивается с трудностями: пока никому не удалось последовательно описать их взаимодействия и движение внутри кварков и лептонов. Субчастицы должны быть невообразимо малы: если атом увеличить до размеров Земли, то они не станут больше грейпфрута. Тем не менее модели сложных кварков и лептонов вызывают большой интерес — они предлагают способы построения материи на основе всего лишь нескольких составляющих.
Любая теория элементарных частиц должна также рассматривать взаимодействия между ними и устанавливать законы, которым эти взаимодействия подчиняются. Мы не многое выгадаем, если, сокращая набор основных частиц, увеличим число этих взаимодействий и законов. На протяжении всего развития физики между набором частиц и реестром законов их взаимодействий существовала тонкая взаимосвязь. На рубеже XVIII и XIX вв. фундаментальными считались четыре типа взаимодействий: гравитационное, электрическое, магнитное и короткодействующее межмолекулярное. В результате ряда замечательных экспериментальных и теоретических открытий было установлено, что электричество и магнетизм взаимосвязаны и представляют одно и то же фундаментальное явление, названное затем электромагнетизмом.
Открытие строения атома привело к дальнейшему пересмотру существующих представлений. В целом атом электрически нейтрален, однако его составляющие имеют заряд. Поэтому короткодействующие межмолекулярные взаимодействия были объяснены как сложный остаточный эффект электромагнитных взаимодействий между положительно заряженным ядром к отрицательно заряженными электронами. Когда два нейтральных атома удалены друг от друга, электромагнитные силы между ними почти не действуют. Но когда атомы расположены близко, заряженные компоненты одного из них способны «почувствовать» внутренние заряды другого. Это и приводит к различным короткодействующим силам притяжения и отталкивания.
