Пытаясь вывести общее уравнение, Планк пошел эмпирическим путем, связывая измеренную с большой точностью зависимость энергии излучения от длины волны для ряда конкретных температур в одну формулу. Такую формулу ему удалось получить, но только при условии, что излучение черного тела происходит не непрерывно, а дискретно, порциями. Единичную порцию излучения Планк назвал квантом (от латинского quantum ≈ сколько).
Свою идею Планк докладывал коллегам с ощущением, что совершает ⌠акт отчаяния■ ≈ настолько она противоречила всем принципам классической физики. Идею кванта он рассматривал только как математический прием. Он так и писал известному американскому физику Роберту Вуду: ⌠Это была чисто формальная гипотеза ...чтобы любой ценой получился положительный результат■. И даже спустя десять лет Планк призывал своего молодого российского ученика А. Ф. Иоффе ⌠не посягать на самый свет■ и ⌠не идти дальше, чем это крайне необходимо■.
Однако уже в 1905 году Альберт Эйнштейн использовал идею Планка для объяснения фотоэффекта. В начале XX века была обнаружена странная закономерность: скорость вырываемых из вещества электронов определяется только частотой света и не зависит от его интенсивности. С точки зрения классической электродинамики объяснить это было трудно, но с квантовой позиции явление становилось совершенно понятным. Эйнштейн предположил, что не только испускание и поглощение света происходя т порциями, но и само излучение существует только в виде отдельных объектов ≈ квантов света.
Идея кванта оказалась чрезвычайно плодотворной. В 1913 году Нильс Бор создал теорию атома, постулировав условия квантования электронных орбит. А спустя одиннадцать лет Луи де Бройль выдвинул гипотезу о всеобщем корпускулярно-волновом дуализме: любая частица есть в то же самое время и волна. Экспериментальное подтверждение идеи де Бройля состоялось в 1927 году ≈ впервые удалось наблюдать дифракцию электронов, чисто волновое явление. Годом раньше Эрвин Шредингер предложил уравнение, описывающее такие волны, а Макс Борн дал им статистическую, вероятностную интерпретацию.
Поскольку любая волна бесконечна в пространстве, то и каждую частицу можно обнаружить где угодно, но с разной степенью вероятности. Мир перестал быть детерминированным, он сделался вероятностным.
Для физиков признание этого факта стало тяжким испытанием. Известный теоретик Хендрик Крамерс, ассистент Нильса Бора, писал: ⌠Квантовая механика очень похожа на иные победы: месяца два вы смеетесь, а потом долгие годы плачете■. Шредингер в отчаянии восклицал: ⌠Если эти проклятые квантовые скачки сохранятся в физике, я пожалею, что вообще связался с квантовой теорией!■. Эйнштейн признавал, что он, подобно страусу, ⌠прячет голову в песок относительности, чтобы не смотреть в лицо гадким квантам■. А в письме к Борну он писал: ⌠Квантовая механика внушает большое уважение. Но внутренний голос говорит мне, что это все же не то... Во всяком случае я убежден, что Бог не играет в кости...■
Тем не менее квантовая механика смогла очень быстро и с успехом описать самый широкий круг физических явлений. Были созданы теории атомных спектров, химической связи, строения молекул, ферромагнетизма. И конечно же, без квантовой механики невозможна физика элементарных частиц.
Первой открытой элементарной частицей был электрон: в 1897 году Дж. Дж. Томсон показал, что давно известные катодные лучи ≈ не что иное, как поток электронов. В 1911 году Эрнст Резерфорд, бомбардируя альфа-частицами тонкую металлическую фольгу, пришел к выводу, что в центре атома имеется положительный заряд. Спустя семь лет он зарегистрировал протоны. Другую частицу, входящую в состав ядра, ≈ нейтрон ≈ открыл в 1932 году Джон Чедвик.
Число обнаруженных частиц стремительно росло, и ⌠элементарными■ их продолжали называть только по традиции: подавляющее большинство частиц имеет сложное строение. Их свойства определялись квантовыми характеристиками, аналогов которым в классической физике не было. Поэтому им пришлось приписывать ⌠странность■, ⌠очарование■, ⌠цвет■, ⌠аромат■, ⌠прелесть■ ≈ свойства, не имеющие ничего общего с обыденными.
Стандартная модель частиц. Из кварков и лептонов ⌠собрано■ все вещество Вселенной, а соединяют их переносчики взаимодействий. Кварки, лептоны и W-бозон имеют свои античастицы; у фотона, глюона и Z-бозона их нет. Названия t- и b-кварков в литературе даются по-разному.
⌠Истинно элементарными■, бесструктурными сегодня считаются шестнадцать частиц (у тринадцати из них есть свои античастицы). Из шести кварков в различных сочетаниях с антикварками получаются протоны, нейтроны и многие другие частицы (адроны). Гипотеза о кварках была высказана в 1964 году, а последний, так называемый ⌠верхний■, или топ-кварк, обнаружили только шесть лет назад (см. ⌠Наука и жизнь■ ╧ 8, 1994 г.). Еще шесть частиц относятся к так называемым лептонам. Это электрон, мюон и таон. С ними ассоциированы три, пожалуй, самые таинственные частицы микромира ≈ нейтрино (см. ⌠Наука и жизнь■ ╧╧ 2, 3, 2000 г.). Феноменальная проникающая способность, отсутствие заряда и чрезвычайно малая масса долгие годы делали их неуловимыми. Вплоть до лета нынешнего года судить об их появлении в различных реакциях можно было только по косвенным признакам.
И, наконец, последние четыре частицы служат переносчиками взаимодействий. Современная физика знает четыре вида взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Гравитация в этом перечне стоит особняком ≈ она настолько слаба, что в процессах микромира практически не участвует. Электромагнитное взаимодействие переносят фотоны, кварки внутри частиц в процессе сильного взаимодействия соединяются глюонами. Слабое взаимодействие между частицами осуществляют так называемые W- и Z-бозоны.
Когда-то, на ранних стадиях существования Вселенной, все они были слиты в одно универсальное взаимодействие. Попытки создать его теорию успехом пока не увенчались, объединить удалось только слабое и электромагнитное в одно электрослабое взаимодействие. Крупнейшим достижением теоретической физики стало создание согласованной картины микромира так называемой Стандартной модели. Она с общих позиций описывает все три взаимодействия ≈ сильное, слабое и электромагнитное. Сегодня нет ни одного эксперимента, который бы прямо противоречил Стандартной модели.
В последнее время развитие ускорительной техники резко затормозилось. Продвижение в глубь материи требует гигантских энергий, которые нельзя получить на Земле даже ценой неимоверных затрат на строительство новых сверхмощных ускорителей. Однако исследования элементарных частиц продолжаются. На протонных коллайдерах ЦЕРНа (Швейцария) и Бруккхэвена (США) удалось ⌠разбить■ эти частицы, получив кварк-глюонную плазму (см. ⌠Наука и жизнь■ ╧ 3, 2000 г.). А 21 июля 2000 года в американской лаборатории имени Ферми впервые провели прямое наблюдение тау-нейтрино на установке, которая так и называется ≈ Direct Observation of the Nu Tau (DONUT). В экспериментах участвовали более пятидесяти исследователей из разных стран мира.