Часть 2.

В физике толкование результатов эксперимента называется моделью или теорией, в основе всех современных исследований лежит осознание приблизительности любой модели или теории. Об этом говорит афоризм Эйнштейна: "Пока математические законы описывают действительность, они неопределенны, когда они перестают быть неопределенными, они теряют связь с действительностью". Физики знают, что при помощи их аналитических методов и логики нельзя описать сразу все природные явления, поэтому они выделяют определенную группу явлений и пробуют построить модель для ее описания. При этом они оставляют без внимания остальные явления, и поэтому модель не соответствует реальной ситуации полностью. Явления, которые не принимают во внимание, либо столь незначительны, что их рассмотрение не дает ничего существенно нового, либо просто еще не известны в момент создания теории.

Для иллюстрации возьмем ньютоновскую "классическую" механику--одно из наиболее известных физических моделей. Она не принимает в расчет сопротивление воздуха и трение, поскольку они обычно очень малы. Но с этими поправками ньютоновская механика долгое время считалась окончательной теорией для описания всех природных явлений -- до момента открытия явлений электричества и магнетизма, для которых в ньютоновской теории уже не было места. Эти открытия показали, что эта модель несовершенна, и может быть применена по отношению к ограниченному кругу явлений, а именно: к движению твердых тел.

Если мы говорим об изучении ограниченной группы явлений, то это может также выглядеть как исследование не всех их физических свойств, что также делает теорию приблизительной. Этот вариант приблизительности очень трудноуловим, так как мы никогда не можем предсказать заранее, где лежат границы возможного применения теории. Только время может показать это. Так, репутация классической механики была еще более подорвана, когда физика XX века доказала ее существенную ограниченность. Сейчас мы знаем, что ньютоновская модель применима только по отношению к движению объектов, состоящих из большого количества атомов, на скоростях, которые значительно ниже скорости света. Если не выполнено первое условие, следует вместо классической механики использовать квантовую теорию; если не выполнено второе--теорию относительности. Это не означает, что ньютоновская модель неправильна, или что квантовая теория и теория относительности правильны. Все эти модели приблизительны, и могут быть применены лишь к ограниченному кругу явлений. За его пределами они уже не дают удовлетворительного описания природы, и для того, чтобы заменить--или, вернее, расширить--старые модели, посредством изменения характера их приблизительности, нужно создать новые.

Одна из самых трудных и, в то же время, самых важных задач при создании модели--определение ограничений для ее применения. Согласно мнению Джеффри Чу--автора "теории бутстрапа", которую мы в дальнейшем будем подробно разбирать, как только модель или теория начинает работать, следует задать себе такие вопросы: "Почему она работает? Где ограничения для ее применения? В чем именно ее приблизительность?". Чу видит в этих вопросах возможность дальнейшего усовершенствования теории. {25}

Восточные мистики тоже хорошо осведомлены о том, что все словесные описания действительности неточны и неполны. Непосредственное восприятие реальности лежит за пределами мышления и языка, а поскольку именно на таком непосредственном восприятии всегда основывается мистицизм, любое его описание может лишь частично быть правдивым. В физике можно измерить степень приблизительности каждого утверждения, и прогресс заключается в том, что приблизительность постепенно уменьшается в результате новых открытий. Каким же образом, в таком случае, рассматривают проблему вербальной коммуникации восточные традиции?

Прежде всего, мистики, в основном, интересуются восприятием реальности, а не его описанием. Поэтому их, как правило, не интересует анализ такого описания. Если же восточные мистики хотят передать комулибо свое знание, они сталкиваются с ограниченностью возможностей языка. На Востоке существует несколько способов ее преодоления.

Индийский мистицизм, и, в частности, индуизм, облекает свое учение в форму мифов, используя метафоры, символы, поэтические образы, сравнения и аллегории. Логика и здравый смысл не накладывают столь значительных ограничений на язык мифологии. В мифологическом повествовании много возможных в обычной жизни эпизодов, образы предполагают богатые возможности интерпретации, и не могут восприниматься буквально. Поэтому язык мифологии лучше подходит для описания мистического мировоззрения, чем наш повседневный язык. Согласно Ананде Кумарасвами, "миф являет собой максимальное приближение к абсолютной истине, которую нельзя выразить словами" [19,33].

Богатое воображение индийцев породило множество божеств, о подвигах и перерождениях которых повествуют предания, составляющие масштабные эпосы. Индуист, глубоко проникший в суть вещей, знает, что все эти боги порождены человеческим разумом и являются фантастическими образами, олицетворяющими различные стороны действительности. С другой стороны, он понимает, что не для занимательности были введены эти герои, но для того, чтобы донести до людей философские истины, открывающиеся мистикам.

Китайские и японские мистики нашли другой способ решения проблемы несовершенства языка. Вместо того, чтобы пытаться сгладить парадоксальные черты действительности путем использования мифологических символов и образов, они предпочитают подчеркивать их и использовать обычный язык. Так, даосы часто делали парадоксальные заявления, чтобы обнаружить непоследовательность и ограниченность возможностей вербальной коммуникации. Эта методика получила дальнейшее развитие в буддийской традиции Китая и Японии и достигла совершенства в дзэн-буддизме, наставники которого часто передают ученикам свое знание, используя так называемые КОАНЫ--парадоксальные загадки. Между КОАНАМИ и современной физикой существует одно важное сходство, о котором повествует следующая глава.

В Японии существует еще один способ передачи философских воззрений, о котором здесь стоит упомянуть. Он {26} заключается в использовании учнтелями дзэн лаконичных и очень емких по смыслу стихотворений для непосредственного указания на "таковость" действительности. Когда некий монах спросил у Фукэцу Энсё: "Когда недопустимы и речь, и молчание, что следует выбрать?"--учитель ответил: "Всегда вспоминаю Цзянсу в марте -- Крик куропатки, Море благоухающих цветов" [79, 183]. Этот вид духовной поэзии достиг своего совершен- ства в ХАЙКУ, классической японской поэтической форме, состоящий всего лишь из семнадцати слогов, на которую дзэн оказал глубочайшее воздействие. Даже при переводе на другой язык мы можем ощутить глу- бину мировосприятия авторов ХАЙКУ: "Листья, падая, Ложатся один на другой; Дождевые капли -- на дождевые капли" [79, 187].

Каким бы образом ни стремились восточные мистики запечатлеть в словах свое мировоззрение--при помощи мифов, символов, поэтических образов или парадоксальных утверждений, они не забывали об ограниченных возможностях языка и "линейного" мышления. Современная физика выработала точно такое же отношение к словесным моделям Они тоже приблизительны и не могут быть точными, выполняя в физике ту же роль, которую в восточном мистицизме выполняют мифы, символы и поэтические образы, и в этом они похожи. Одни и те же представления о материи будут воплощаться: для мистика--в образе космического танца бога Шивы, а для физика -- в определенных аспектах квантово-полевой теории. И танцующее божество, и физическая теория порождены сознанием, и являются моделями для описания определенных интуитивных представлений о мире.

Глава 3. ЗА ПРЕДЕЛАМИ ЯЗЫКА

"Для того, чтобы рассказать о своих внутренних ощущениях, нам нужны слова, хотя происхождение этих ощущений не имеет никакого отношения к языку. Если Вы никогда не задумывались об этом раньше, это противоречие покажется Вам парадоксальным" [73, 239}. Д. Т. СУДЗУКИ "Здесь проблемы, связанные с языком, дей- ствительно серьезны. Мы хотим как-то расска- зать о строении атома... Но мы не можем опи- сать атом при помощи обычного языка" [34, 178}.

В. ГЕЙЗЕНБЕРГ

Когда в начале века началось исследование атома, в научной среде уже были широко распространены представления о {27} том, что все научные модели и теории приблизительны, и что их словесные описания всегда страдают от несовершенства нашего языка. В результате открытий в новой области физики были вынуждены признать, что человеческий язык абсолютно не годится для описания атомной и субатомной действительности. Из квантовой теории и теории относительности, которые являются двумя столпами современной физики, следует, что эта действительность не подчиняется законам классической логики. Так, Гейзенберг пишет:

"Сложнее всего говорить обычным языком о квантовой теории. Непонятно, какие слова нужно употреблять вместо соответствующих математических символов. Ясно только одно: понятия обычного языка не подходят для описания строения атома" {34, 177}. Исследования атомной действительности представ- ляют собой наиболее интересное в философском отно- шении направление современной физики, которое, к то- му же, обнаруживает сходство с восточной философи- ей. По утверждению Бертрана Рассела, все, и в том числе религиозные школы западной философии, фор- мулировали философские идеи при помощи логики. На Востоке, напротив, признавалось, что действитель- ность не подчиняется законам языка, и восточные муд- рецы не боялись отказаться от логики и привычных по- нятий. Мне кажется, именно поэтому их философские модели являются для современной физики более подхо- дящим философским обоснованием, чем модели запад- ной философии.

Лингвистические барьеры, стоящие перед восточными мистиками и современными физиками, абсолютно идентичны. В двух отрывках, приведенных ц начале главы, Д. Т. Судзуки говорит о буддизме, а В. Гейзенберг--об атомной физике, но их слова очень похожи. И мистики, и физики хотят рассказать о том, что им открылось, но их высказывания кажутся нам парадоксальными и нелогичными. Эти парадоксы знакомы всем мистикам, от Гераклита до дона Хуана, а с начала этого века --еще и физикам.

Многие парадоксы атомной физики связаны с двойственной природой электромагнитного излучения, и в частности, света. С одной стороны, очевидно, что излучение состоит из волн, поскольку она порождает хорошо известное явление интерференции, связанное с волнами: при наличии двух источников света интенсивность света в какой-то точке может быть равной не только сумме двух излучений, но также больше или меньше ее. Причина--в интерференции волн, исходящих из разных источников: там, где совпадают гребни волн, излучение сильнее; там где гребень приходится на подошву, излучение слабее. Можно определить точную величину интерференции. Электромагнитные излучения всегда интерферируют, обнаруживая, таким образом, свойства волн (см. рис. 1).

С другой стороны, электромагнитное излучение обладает так называемым фотоэлектрическим эффектом: ультрафиолетовый свет способен "выбивать" из поверхностного слоя некоторых {28} металлов электроны и должен, следовательно, состоять из движущихся частиц. Похожая ситуация возникает при проведении эксперимента рассеиванием рентгеновских лучей. Результаты последнего можно толковать как столкновение "частиц света" с электронами. При этом, однако, обнаруживается явление интерференции, характерное для волн.

На ранних этапах развития теории атома физики не могли понять, как электромагнитное излучение может одновременно состоять из частиц очень маленького объема и из волн, способных распространяться на большие расстояния.

Восточному мистицизму присущи несколько способов обращения с парадоксами действительности. В то время, как индуизм скрывает их за цветистой тканью мифа, буддизм и даосизм предпочитают подчеркивать парадоксы, нежели замалчивать их. Основное произведение даосизма "Дао-де цзин", написанное Лао-цзы, кажется очень загадочным и даже непоследовательным. Оно состоит из интригующе парадоксальных утверждений, и его емкий, проникновенный и, в высшей степени, поэтичный язык захватывает внимание читателя, не позволяя ему вернуться на привычные пути логического мышления.

Китайские и японские буддисты, вслед за даосами, научились рассказывать о мистическом опыте путем простой констатации его парадоксальности. Когда дзэнский наставник Дайто увидел императора Годайго, изучавшего дзэн, он сказал: "Мы расстались много тысяч кальп назад, и все же мы не покидали друг друга ни на мгновение. Мы стоим лицом друг к другу весь день, но никогда не встречались" [77, 26}. Дзэн-буддисты обладают особым умением исполь- зовать несовершенство вербальной коммуникации. Сис- тема КОАНОВ способна передавать учение их авторов абсолютно невербально. КОАНЫ--это тщательно про- думанные парадоксальные задачи, предназначенные для того, чтобы заставить изучающего дзэн осознать огра- ниченность логики самым драматичным образом. Эти задачи нельзя решить путем размышлений из-за их ир- рациональной формулировки и парадоксального содер- жания. Они должны остановить процесс мышления и подготовить ученика к невербальному восприятию ре- альности. Современный наставник дзэн Ясутани позна- комил западного ученика с одним из наиболее извест- ных КОАНОВ следующим образом: "Один из лучших, то есть самых простых, КОАНОВ--МУ. Его происхождение таково: однажды, сотни лет тому назад, в Китае некий монах пришел к Дз'сю--прославленному учи- телю дзэн и спросил: "Обладает ли собака природой Будды?", на что Дз'сю ответил: "МУ!". Буквально это выражение значит "нет", но не в этом значение слов Дз'сю. "МУ" -- это обозначение живой, активной, динамической природы Будды. Нужно постичь сущность это- {29} го "МУ" путем поиска ответа в себе, а не в интеллектуальных размышлениях. Затем ты должен подробно и живо продемонстрировать мне, что понимаешь "МУ" как живую истина, не прибегая к помощи концепций, теорий и абстрактных рассуждений. Помни, нельзя по- нять "МУ" умом; его можно постичь только непосредственно всем существом" [41, 135}. Наставник дзэн обычно предлагает новичку или КОАН "МУ", или один из следующих двух: "Каким было твое первоначальное лицо до твоего рождения?". "Хлопок--звук от двух ладоней. Каков же звук от одной?". Все эти КОАНЫ имеют более или менее уникаль- ные решения, приближение к которым опытный учи- тель может немедленно распознать в поведении учени- ка. Как только ответ найден, КОАН тут же перестает быть парадоксальным и превращается в глубинное, полное смысла утверждение, созданное на том уровне сознания, которое помог пробудить учитель.

В школе Риндзай ученик должен решать множество КОАНОВ, каждый из которых раскрывает один из аспектов дзэн. Это единственный способ обучения в этой школе, не использующей никаких положительных утверждений, заставляя ученика самостоятельно постигать истины, заключенные в КОАНАХ.

Сразу вспоминаются парадоксальные ситуации, возникшие после рождения атомной физики. Как и в дзэн, можно было решить парадоксы и постичь истину только при помощи абсолютно нового подхода -- подхода атомной физики. Природа, как учитель дзэн, ничего не объясняла. Она только загадывала загадки.

Ученик должен напрячь все свои силы и максимально сконцентрироваться для решения КОАНА. Книги о дзэн утверждают, что КОАН сковывает мышление ученика, ставя его в тупик, повергая в состояние непрерывного напряжения, в котором весь мир представляется сплошной загадкой. Ощущения создателей квантовой теории были очень похожими. Послушаем Гейзенберга: "Я помню многочисленные споры с Богом до поздней ночи, завершавшиеся признанием нашей беспомощности; когда после спора я выходил на прогулку в соседний парк, я вновь и вновь задавал себе один и тот же вопрос: ..Разве может быть в природе столько абсур- да, сколько мы видим в результатах атомных экспериментов?"" {34,42]. Глубинная сущность бытия не может не казаться парадоксальной и абсурдной, будучи подвергнута ин- {30} теллектуальному анализу. Мистики всегда признавали это, но наука лишь недавно столкнулась с этой пробле- мой. Ученые на протяжении столетий изучали "фунда- мeнтaльныe законы природы", лежащие в основе всех природных явлений. Эти явления происходили в их макроскопической окружающей среде и могли воспри- ниматься при помощи органов чувств. Поскольку обра- зы и понятия человеческого языка берут свое начало именно в чувственном восприятии, они удовлетворитель- но описывали явления природы.

В классической физике на вопрос о сущности вещей отвечала ньютоновская механическая модель Вселенной, которая, во многом повторяя демокритовскую модель, объясняла все явления движением и взаимодействиями твердых неразрешимых атомов. Атомы были уподоблены бильярдным шарам, то есть образам чувственного восприятия. Никто не задавался вопросом, применима ли эта аналогия к миру атомов. И действительно, экспериментальная проверка была невозможна.

Однако в двадцатом веке физики смогли подойти к вопросу об элементарных составляющих материи во всеоружии. Невероятно сложное оборудование позволяло им изучать различные уровни строения материи в поисках мельчайших "строительных кирпичиков". Так было доказано существование атомов и открыты составляющие их ядра и электроны, и, наконец, компоненты ядра--протоны, нейтроны и множество других субатомных частиц.

Сложные чуткие приборы современной экспериментальной физики проникают в глубины субмикроскопического мира, в области, удаленные от нашей макроскопической среды, и делают их доступными чувственному восприятию. И все же мы можем судить о них только по последнему звену в цепочке реакций--по щелчку счетчика Гейгера, по темному пятнышку на фотопластинке. Мы воспринимаем не сами явления, а их следы. Сам же атомный и субатомный мир скрыт от нас.

Итак, современная аппаратура позволяет нам косвенно "наблюдать" свойства атомов и других частиц, а следовательно, в какой-то степени "познавать" субатомный мир. Но эти знания в корне отличаются от наших знаний о том, что окружает нас в повседневной жизни. Они уже не определяются непосредственным чувственным восприятием, и поэтому обычный язык, заимствующий свои образы из мира чувств, не годится для описания исследуемых явлений. Проникая в толщу вещества, мы должны отказываться от образов и понятий обычного языка.

В путешествии в мир бесконечно малого самым важным шагом был первый -- шаг в мир атомов. Проникнув под оболочку атома, изучая его внутреннее устройство, наука вышла за пределы чувственного восприятия. С этого момента она уже не могла с уверенностью опираться на логику и здравый смысл. Атомная физика впервые описала истинное строение вещества. Подобно мистикам, физики теперь имели дело с нечувственно воспринимаемой реальностью и, подобно мистикам, сталкивались с парадоксами этой реальности. Поэтому модели и образы современной физики стали родственны моделям и образам восточной философии. {31}

Глава 4. НОВАЯ ФИЗИКА

По мнению восточных мистиков, непосредственное восприятие реальности приобретается мгновенно и подрывает основы прежнего мировоззрения. Д. Т. Судзуки назвал это ощущение "самым удивительным событием из сферы человеческого сознания, ...разрушающим все стандартные формы восприятия" [71, 7] и привел в подтверждение своих слов высказывание одного из дзэнских наставников, сравнивших подобное явление с тем, как "проламывается дно бадьи". В начале века физики испытали нечто подобное при знакомстве с атомной действительностью, и их выска- зывания чем-то напоминают слова дзэнского учителя. Так, Гейзенберг писал: "Бурная реакция, ученых на последние от- крытия современной физики легко объяснима: они сотрясают основы этой науки, и она, похо- же, начинает терять почву под ногами" {34., 167]. Эйнштейн тоже был потрясен, впервые столкнув- шись с миром атома. Он писал в своей автобиографии: "Все мои попытки объяснить эти новые от- крытия были абсолютно безуспешны. Это на- поминало ситуацию, когда почва уходит из- под ног, и не на что опереться" {68, 45].

Открытия современной физики привели к необходимости серьезного пересмотра таких понятий, как пространство, время, материя, объект, причина и следствие и т. д.; а поскольку эти понятия являются основополагающими для мировоззрения, неудивительно, что физики, столкнувшись с этой необходимостью, испытали подобие шока. Благодаря этим изменениям возник совершенно новый взгляд на мир, формирование которого продолжается под воздействием современных научных разработок.

Поэтому нам представляется, что и восточным мистикам, и западным физикам знакомы ощущения, заставляющие взглянуть на мир совершенно по-новому. В двух следующих цитатах европейский физик Нильс Бор и индийский мистик Шри Ауробиндо подчеркивают глубину и радикальный характер этого ощущения. "Грандиозное расширение наших знаний за последние годы выявило недостаточность на- ших простых механических концепций и, как следствие, пошатнуло основания общепринято- го истолкования" {6, 2]. Нильс БОР "На самом деле, все вещи начинают изме- нять свою сущность и внешний вид; мировос- приятие каждого человека в корне изменяет- {32} ся... Появляется новый широкий и глубокий путь восприятия, видения, познания, сопостав- ления вещей"{ 4.327]. Шри АУРОБИНДО

Эта глава содержит предварительное описание нового мировоззрения современной физики (если читатель находит это предварительное изложение идей современной физики слишком кратким или сложным, ему не следует беспокоиться--все понятия, упоминающиеся в этой главе, будут более подробно рассмотрены в дальнейшем); она рассказывает о том, как в начале века две основные теории современной физики--квантовая теория и теория относительности--заставили ученых избрать гораздо более утонченное холистическое и "органическое" воззрение на природу. Классическая физика

Мировоззрение, опровергнутое открытиями современной физики, основывалось на ньютоновской механистической модели Вселенной. Эта модель была мощным каркасом классической физики и основой всех наук и натурфилософии.

Согласно Ньютону, все (физические явления происходят в трехмерном пространстве, описанном евклидовой геометрией. Это абсолютное неизменяющееся пространство, всегда находящееся в состоянии покоя. Как утверждал Ньютон: "Само абсолютное пространство, без учета внешних факторов, всегда остается неизменным и неподвижным" [8, 7]. Все изменения в физическом мире описывались в терминах абсолютного времени--особого измерения, не имеющего связи с материальным миром и различающего прошлое, настоящее и будущее. "Абсолютное, истинное математическое время, по своей сущности, течет с постоянной скоростью, не подвергаясь внешним воздействиям" [8, 36] -утверждал Ньютон.

По представлениям Ньютона, в этом пространстве двигаются материальные частицы--маленькие, твердые и неразрушимые предметы, из которых состоит вся материя, и которые фигурируют в математических уравнениях в качестве "точек массы". Эта модель очень похожа на модель греческих атомистов. Обе они различают полное и пустое, материю и пространство и предполагают, что форма и масса частиц неизменяемы. Таким образом, материя вечна и изначально пассивна. Важное отличие ньютоновской модели от демокритовой заключается в том, что она точно описывает силы взаимодействия между материальными частицами. Эти силы очень просты по своей сущности и зависят только от масс и расстояний между частицами. Сила притяжения, по мнению Ньютона, тесно связана с телами, между которыми действует, причем действует она постоянно и на любом расстоянии. Подобные представления кажутся нам сегодня довольно странными и произвольными, но в те времена никто не пытался предложить что-либо взамен, поскольку считалось, что частицы и силы были созданы Богом и не подлежат анализу. Ньютон говорит о сотворении мира в своей "Оптике"; {33}

"Мне кажется вероятным, что Бог вначале сотворил материю в виде твердых, обладающих массой, цельных, непроницаемых и подвижных частиц, наделенных такими размерами, пропорциями, формами и другими качествами, которые наилучшим образом отвечают той цели, для которой Он сотворил их и что эти частицы, будучи цельными, несравненно плотнее любого пористого тела, из них составленного; и они настолько плотны, что никогда не изнашиваются и не разбиваются, и ни одна сила не может разделить то, что Бог сотворил единым при своем первотворении" {21, 76}. Согласно Ньютону, все физические явления сводятся к движению материальных точек в пространстве, вызванному их взаимным притяжением, то есть силой тяжести, или гравитацией. Для того. чтобы дать строгое математическое описание этой силы, Ньютону пришлось использовать абсолютно новые понятия и математические операции дифференциального исчисления. Эйнштейн высоко оценивал значение великих трудов Ньютона, называя их величайшим интеллектуальным достижением, которым когда-либо был обязан мир одному человеку".

Основа классической механики--ньютоновские уравнения движения. Считалось, что они отражают незыблемые законы, управляющие движением материальных точек, а значит--и всеми природными явлениями. По мнению Ньютона, Бог создал материальные частицы, силы между ними и фундаментальные законы движения. Таким образом, вся Вселенная была запущена в движение и движется до сих пор подобно хорошо отлаженному механизму.

Механистический взгляд на природу был тесно связан со строгим детерминизмом. Огромный космический механизм был подчинен определенным законам. Все происходящее имело свою причину и приводило к определенному результату, и, в принципе, досконально зная состояние системы на данный момент, можно было с уверенностью предсказывать ее будущее. Эта уверенность звучит в словах французского математика Пьера Симона Лапласа:

"Интеллект, располагающий точными и подробными сведениями о местонахождении всех вещей, из которых состоит мир, и действии всех природных сил и способный подвергнуть анализу столь огромное количество данных, смог бы запечатлеть в одной и той же формуле движение самых больших тел во Вселенной и мельчайших атомов: для него не оставалось бы неясностей, и будущее, как и прошлое, показалось бы ему настоящим" [8, 122].

Философской основой строгого детерминизма было фундаментальное разграничение между миром и человеком, введенное Декартом. Как следствие этого разграничения, возникла уверенность в возможности объективного описания мира, лишенного упоминаний о личности наблюдателя, и наука видела в таком объективном описании мира свой идеал.

Ньютоновская механика пережила свой расцвет в восемнадцатом--девятнадцатом веках. Сам Ньютон при помощи своей теории объяснил движение планет и основные свойства Солнечной системы. Тем не менее, его планетарная модель была сильно упрощенной и не учитывала, например, гравитационного взаимодействия планет. Из-за этого Ньютон обнаружил в своей модели некоторые несообразности, которые он сам не мог {34} объяснить. Он решил проблему, придя к выводу, что Бог всегда присутствует во Вселенной, чтобы исправлять эти несообразности.

Великий математик Лаплас поставил перед собой честолюбивую задачу уточнить и усовершенствовать подсчеты Ньютона "и предложить окончательное описание механики Солнечной системы и настолько приблизить теорию к наблюдениям, чтобы в астрономических таблицах не осталось белых пятен" [40, 2371. Результатом его усилий была большая работа в пяти томах, "Небесная механика", где Лаплас успешно и подробно описал движение планет, лун и комет, причины приливов и других гравитационных явлений. Он показал, что из ньютоновских законов движения следует, что Солнечная система неподвижна. Когда Лаплас продемонстрировал Наполеону первое издание своей книги, тот, как рассказывают, заметил: "Месье Лаплас, мне сказали, что этот грандиозный труд об устройстве Вселенной не содержит ни одного упоминания о Творце". На что Лаплас резко ответил: "Я не нуждаюсь в этой гипотезе".

Вдохновленные блестящим успехом ньютоновской механики в астрономии, физики использовали ее для описания непрерывного течения жидкостей и колебаний упругих тел и вновь добились успеха. Наконец, даже теория теплоты получила механистическое обоснование, согласно которому теплота представляет собой энергию, порожденную сложным хаотическим движением молекул вещества. Так, при повышении температуры воды подвижность молекул возрастает до тех пор, пока они не преодолевают сил взаимного притяжения и не разделяются. При этом вода превращается в пар. Напротив, при охлаждении термическое движение замедляется, между молекулами возникает более прочная связь, и образуется лед. Подобным же образом можно с чисто механической точки зрения объяснить много других температурных явлений (см. рис, 2).

Триумф механики Ньютона убедил физиков в том, что ее законы управляют движением всей Вселенной и являются основными законами природы, и что явления природы не могут иметь другого объяснения. Тем не менее, по прошествии менее ста лет стало очевидно, что ньютоновская модель не может объяснить новые открытия, а ее закономерности действуют не всегда.

Все началось с открытия и исследования явлений электричества и магнетизма, которые не допускали механического толкования, свидетельствуя о существовании сил неизвестной до этого разновидности. Важный шаг был сделан Майклом Фарадеем и Клерком Максвеллом--первый из которых был одним из величайших экспериментаторов в истории науки, а второй -блестящим теоретиком. Когда Фарадей поднес к медной катушке магнит и вызвал в ней электрический ток, преобразовав таким образом механическую работу в электрическую энергию, наука оказалась в тупике. Этот фундаментальный эксперимент дал рождение разнообразной электрической инженерии и стал основой для теоретических размышлений Фарадея и Максвелла, плодом которых стала целая теория электромагнетизма. Фарадей и Максвелл, исследовав эффекты действия сил электричества и магнетизма, в первую очередь заинтересовались их природой. Они заменяли понятие "силы" понятием "силового поля" и первыми вышли за пределы физики Ньютона. {35}

Вместо вывода о том, что два противоположных заряда притягиваются точно также, как две "точки массы" в ньютоновской механике, Фарадей и Максвелл сочли более приемлемым утверждать, что каждый заряд создает вокруг себя особое "возбуждение", или "состояние", так что противоположный заряд, находящийся поблизости, испытывает притяжение. Состояние способное порождать силу, было названо полем. Поле создает каждый заряд независимо от присутствия противоположного заряда, способного испытать его воздействие.

Это открытие существенно изменило представление о физической реальности. Ньютон считал, что силы тесно связаны с телами, между которыми они действуют. Теперь же место понятия "силы" заняло более сложное понятие "поля", соотносившееся с определенными явлениями природы и не имевшее соответствия в мире механики. Вершиной этой теории, получившей название электродинамики, было осознание того, что свет есть не что иное, как переменное электромагнитное поле высокой частоты, движущееся в пространстве в форме волн. Сегодня мы знаем, что и радиоволны, и волны видимого света, и рентгеновские лучи -- не что иное, как колеблющиеся электромагнитные поля, различающиеся только частотой колебаний, и что свет--лишь незначительная часть электромагнитного спектра.

Несмотря на новые открытия, в основе физики все еще лежала механика Ньютона. Сам Максвелл пробовал объяснить результаты своих исследований с механистической точки зрения, считая поле напряженным состоянием эфира--очень легкой среды, заполняющей все пространство, а электромагнитные волны--колебаниями эфира. Это было вполне естественно, так как в волнах обычно видели колебание какой-либо среды: воды, воздуха и так далее. Однако Максвелл одновременно использовал несколько механистических объяснений своих открытий, очевидно, не воспринимая ни одного всерьез. Видимо, он интуитивно чувствовал, если и не говорил этого открыто, что главное в его теории -- поля, а не механистические модели. На этот факт через десять лет обратил внимание Эйнштейн, заявивший, что эфира не существует, и что электромагнитные поля имеют свою собственную физическую природу, могут перемещаться в пустом пространстве и не относятся к явлениям из области механики.

Итак, в начале двадцатого века физика располагала двумя признанными теориями, каждая из которых объясняла природные явления лишь в одной разновидности; механикой Ньютона и электродинамикой Максвелла. Ньютоновская модель уже не была единственной опорой физики. Современная физика

Первые три десятилетия нашего столетия радикально изменили положение дел в физике. Одновременное появление теории относительности и теории атома поставило под сомнение представление ньютоновской механики об абсолютном характере времени и пространства, о твердых элементарных частицах, о строгой причинной обусловленности всех физических явлений и о возможности объективного описания природы. Старые понятия не находили применения в новых областях физики. {36}

У истоков современной физики--великое свершение одного человека, Альберта Эйнштейна. Две его статьи, опубликованные в 1905 году, содержали две радикально новые мысли. Первая стала основой специальной теории относительности Эйнштейна; вторая заставила по-новому взглянуть на электромагнитное излучение и легла в основу теории атома -- квантовой теории. Квантовая теория в окончательном виде сформировалась через двадцать лет благодаря совместным усилиям целой группы физиков. Однако теорию относительности практически полностью разработал сам Эйнштейн. Научные труды Эйнштейна увековечили грандиозные достижения человеческого разума, став своего рода пирамидами современной цивилизации.

Эйнштейн был твердо уверен в том, что природе изначально присуща гармония, и его научной деятельностью руководило желание найти общую основу для всей физики. Первым шагом к этой цели было объединение двух самостоятельных теорий классической физики--электродинамики и механики--под эгидой специальной теории относительности. Она объединила и дополнила построения классической физики и одновременно потребовала решительного пересмотра традиционных представлений о времени и пространстве и подорвала одно из оснований ньютоновского мировоззрения.

Согласно теории относительности, неверно, что пространство имеет три измерения, а время существует отдельно от него. Одно тесно связано с другим, и вместе они образуют четырехмерный

"пространственно-временной"

континуум. Пространство, как и время, не существует само по себе. Далее, в отличие от ньютоновской модели, здесь нет единого течения времени. Разные наблюдатели, двигаясь с различными скоростями относительно наблюдаемых ими явлений, указывали бы разную их последовательность. В таком случае, два события, одновременные для одного наблюдателя, для других произойдут в различной последовательности. В результате, все измерения в пространстве и времени, которые становятся относительными, теряют свой абсолютный характер. И время, и пространство--лишь элементы языка, который использует некий наблюдатель для описания наблюдаемых явлений.

Понятия времени и пространства настолько основополагающи, что их изменение влечет за собой изменение общего подхода к описанию явлений природы. Самое важное последствие этого изменения--осознание того, что масса--одна из форм энергии. Даже неподвижный объект наделен энергией, заключенной в его массе, и их соотношение выражается знаменитым уравнением Е=мс^2 в котором с--скорость света.

Эта константа исключительно важна для теории относительности. Для описания физических явлений, при которых действуют скорости, близкие к скорости света, всегда следует пользоваться теорией относительности. В особенности это касается электромагнитных явлений, одним из которых является свет, и которые подвели Эйнштейна к созданию его теории,

В 1915 году Эйнштейн выдвинул общую теорию относительности, которая, в отличие от специальной, учитывала {37} гравитацию, то есть взаимное притяжение всех тел с большой массой. В то время, как специальная теория была подвержена множеству экспериментов, общая теория еще не нашла своего окончательного подтверждения. И все же она является наиболее широко признанной, последовательной и изящной теорией гравитации, и находит широкое применение в астрофизике и космологии.

Согласно теории Эйнштейна, гравитация способна "искривлять" время и пространство. Это означает, что в искривленном пространстве законы евклидовой геометрии не действуют, так же как двухмерная плоскостная геометрия не может быть применена на поверхности сферы. На плоскости, например, мы можем нарисовать квадрат следующим образом: отмерить один метр на прямой линии, отложить прямой угол и снова отмерить один метр, затем отложить еще один прямой угол и снова отмерить метр, наконец, в третий раз отложить прямой угол и, вернувшись в исходную точку, получить квадрат. Однако на поверхности шара эти правила не подействуют. Точно таким же образом евклидова геометрия бесполезна в искривленном трехмерном пространстве. Далее, теория Эйнштейна утверждает, что трехмерное пространство действительно искривлено под воздействием гравитационного поля тел с большой массой.

Пространство вокруг таких тел--планет, звезд и т. д.--искривлено, и степень искривления зависит от массы тела. А поскольку в теории относительности время не может быть отделено от пространства, присутствие вещества оказывает воздействие и на время, вследствие чего в разных частях Вселенной время течет с разной скоростью. Таким образом, общая теория относительности Эйнштейна полностью отвергает понятия абсолютного пространства и времени. Относительны не только все измерения в пространстве и времени; сама структура пространства-времени зависит от распределения вещества во Вселенной, и понятие "пустого пространства" также теряет смысл.

Классическая физика рассматривала движение твердых тел в пустом пространстве. Такой подход и сегодня остается уместным, но лишь по отношению к так называемой "зоне средних измерений", то есть в области нашего обыденного опыта, когда классическая физика остается полезной теорией. Оба представления_о пустом пространстве и о твердых материальных телах,-- настолько укоренились в нашем мышлении, что нам очень трудно представить себе некую физическую реальность, где бы эти представления не были бы применимы. И все же современная физика, выходя за пределы зоны средних измерений, заставляет нас сделать это. Выражение "пустое пространство" утратило смысл в астрофизике и космологии---науках о Вселенной в целом, а понятие твердого тела было поставлено под сомнение атомной физикой -- наукой о бесконечно малом.

В начале века было открыто несколько явлений атомной действительности, необъяснимых с позиций классической физики. Первое свидетельство в пользу того, что атомы обладают какой-то структурой, появилось с открытием рентгеновских лучей -- нового вида излучения, быстро нашедшего свое применение в медицине. Однако рентгеновские лучи были не единственным видом излучения, {38} испускаемого атомами. Вскоре после их открытия стали известны п другие виды излучений, испускаемых атомами так называемых "радиоактивных элементов". Явление

радиоактивности подтверждало, что атомы таких элементов не только испускают различные излучения, но и превращаются при этом в атомы совершенно других элементов, что говорит о сложности строения атома.

Эти явления не только активно изучались, но и использовались для еще более глубокого проникновения в тайны природы. Так, Макс фон Лауэ при помощи рентгеновских лучей исследовал атомную структуру кристалла, а Эрнест Резерфорд обнаружил, что так называемые альфа-частицы, исходящие от радиоактивных веществ, можно использовать в качестве высокоскоростных снарядов субатомного размера для исследования внутреннего строения атома. Он подвергал атом обстрелу альфа-частицами, определяя по их траекториям после столкновения, как устроен атом.

В результате бомбардировки атомов потоками альфа-частиц Резерфорд получил сенсационные и совершенно неожиданные результаты. Вместо описанных древними твердых и цельных частиц перед ученым предстали невероятно мелкие частицы--электроны, движущиеся вокруг ядра на достаточно большом расстоянии. Электроны были прикованы к ядрам электрическими силами. Непросто представить себе микроскопические размеры атомов, настолько далеки они от наших обычных представлений. Диаметр атома--примерно одна миллионная сантиметра. Представим себе апельсин, увеличенный до размеров земного шара. В таком случае атомы этого апельсина увеличились до размеров вишен. Мириады тесно соприкасающихся вишен, составляющие шар размером с Землю--таковы атомы, из которых состоит апельсин. Таким образом, атом во много раз меньше любого известного нам предмета, но во много раз больше ядра, находящегося в центре атома. Ядро атома, увеличенного до размеров вишни, футбольного мяча или даже комнаты, было бы невидимо вооруженным глазом. Для того, чтобы увидеть ядро, нам нужно было бы увеличить атом до размеров самого большого купола в мире-купола собора святого Петра в Риме. В атоме такого размера ядро было бы величиной с песчинку. Крупица песка в центре купола святого Петра и пылинки, вихрем носящиеся вокруг нее в огромном пространстве купола--такими увидели бы мы ядро и электроны.

Вскоре после появления этой "планетарной" модели атома было обнаружено, что от количества электронов зависят химические свойства элемента, а сегодня мы знаем, что можно составить периодическую таблицу элементов, последовательно добавляя протоны к ядру самого легкого атома---гидрогена, состоящего из одного протона и одного электрона--атома водорода, а также соответствующее число электронов к "оболочке" атома. Взаимодействие между атомами порождает различные химические процессы, так что вся химия ныне может быть, в принципе, понята на основе законов атомной физики.

Эти законы не так-то легко было открыть. Они были сформулированы лишь в двадцатые годы нашего века благодаря усилиям физиков разных стран: датчанина Нильса Бора, француза {39} Лун де Бройля, австрийцев Эрвина Шредингера и Вольфганга Паули и англичанина Поля Дирака. Эти люди первыми соприкоснулись с неведомой необычной реальностью мира атома. Результаты всех экспериментов были парадоксальны и непонятны, и все попытки выяснить, в чем тут дело, оборачивались неудачей. Не сразу физики пришли к выводу о том, что парадоксы обусловлены тем, что они пытаются описывать явления атомной действительности в терминах классической физики. Однако, убедившись в этом, они стали по-другому воспринимать экспериментальные данные, что позволило им избегнуть противоречий. По словам Гейзенберга, "они каким-то образом прониклись духом квантовой теории", и смогли четко и последовательно сформулировать ее в математическом виде.

Однако даже после этого понятия, которыми оперировала квантовая теория, остались очень непривычными. Ранее эксперименты Резерфорда обнаружили, что атомы не являются твердыми и неделимыми, а состоят из незаполненного пространства, в котором движутся очень маленькие частицы, а теперь квантовая теория утверждала, что эти частицы тоже не являются цельными и неделимыми, что шло совершенно вразрез с положениями классической физики. Частицы, из которых состоят атомы, обладают, подобно свету, двойной природой. Их можно рассматривать и как волны, и как частицы.

Это свойство материи и света очень необычно. Кажется совершенно невероятным, что что-то может одновременно быть частицей--единицей чрезвычайно малого объема--и волной, способной перемещаться на большие расстояния. Это противоречие породило большую часть тех напоминающих КОАНЫ парадоксов, что легли в основу квантовой теории. Все началось с открытия Макса Планка, свидетельствовавшего о том, что энергия теплового излучения испускается не непрерывно, а в виде отдельных вспышек. Эйнштейн назвал их "квантами" и увидел в них фундаментальный аспект природы. Он был достаточно смел, чтобы утверждать, что электромагнитное излучение может существовать не только в форме электромагнитных волн, но и в форме квантов. С тех пор кванты света рассматриваются как подлинные частицы и называются фотонами. Это частицы особой разновидности, лишенные массы и всегда движущиеся со скоростью света.

Очевидное противоречие между свойствами волн и частиц разрешилось совершенно непредвиденным образом, поставив под вопрос саму основу механистического мировоззрения--понятие реальности материи. Внутри атома материя не существует в определенных местах, а, скорее, "может существовать"; атомные явления не происходят в определенных местах и определенным образом наверняка, а, скорее, "могут происходить". Язык формальной математики квантовой теории называет эти возможности вероятностями и связывает их с математическими величинами, предстающими в форме волн. Вот почему частицы могут в то же время быть волнами. Это не "настоящие" трехмерные волны, как, например, волны на поверхности воды. Это "вероятностные волны"--абстрактные математические величины со всеми характерными свойствами волн, выражающие вероятности существования частиц в определенных точках пространства в определенные моменты времени. Все законы атомной физики {40} выражаются в терминах этих вероятностей. Мы никогда не можем с уверенностью говорить об атомном явлении; мы можем только сказать, насколько вероятно, что оно произойдет.

Таким образом, квантовая теория доказывает ложность классических представлений о твердых телах и о строгом детерминизме природных законов. На субатомном уровне вместо твердых материальных объектов классической физики наличествуют волноподобные вероятностные модели, которые, к тому же отражают вероятность существования не вещей, а, скорее, взаимосвязей. Тщательный анализ процесса наблюдения в атомной физике показал, что субатомные частицы существуют не в виде самостоятельных единиц, но в качестве промежуточного звена между подготовкой эксперимента и последующими измерениями. Так, квантовая теория свидетельствует о фундаментальной цельности мироздания, обнаруживая, что мы не можем разложить мир на отдельные "строительные кирпичики". Проникая в глубины вещества, мы видим не самостоятельные компоненты, а сложную систему взаимоотношений между различными частями единого целого. В этих взаимоотношениях непременно фигурирует наблюдатель. Человек-наблюдатель представляет собой конечное звено в цепи процессов наблюдения, и следует воспринимать свойства любого объекта атомной действительности, обязательно учитывая взаимодействие последнего с наблюдателем. Это означает, что классический идеал объективного описания природы отошел в небытие. Имея дело с атомной действительностью, нельзя следовать картезианскому разделению мира и личности, наблюдателя и наблюдаемого. В атомной физике нельзя сообщить информацию о природе таким образом, чтобы остаться при этом в тени.

Новая теория строения атома сразу же смогла решить несколько загадок строения атома, перед которыми оказалась бессильной планетарная теория Резерфорда, стало известно, что атомы, образующие твердую материю, состоят из почти пустого пространства, если рассматривать с точки зрения их распределения массы. Но если все вокруг нас, да и мы сами, состоит из пустоты, то почему мы не можем проходить сквозь запретные двери? Другими словами, что придает веществу твердость?

Вторая загадка--невероятная механическая стабильность атомов. Например, в воздухе атомы миллионы раз в секунду сталкиваются друг с другом и, тем не менее, после каждого столкновения приобретают прежнюю форму. Никакая система планет, подчиняющаяся законам классической механики, не выдержала бы таких столкновений. Однако сочетание электронов атома кислорода всегда одинаково, сколько бы они ни сталкивались с другими атомами. Два атома железа, а следовательно, и два железных бруска, абсолютно идентичны, несмотря на то, где они находились и как с ними обращались до этого.

Квантовая теория показала, что эти поразительные свойства атомов обусловлены волновой природой электронов. Для начала скажем, что твердость материи-результат типичного "квантового эффекта", обусловленного двойственной природой материи и не имеющего аналогов в макроскопическом мире. Когда {41} частица находится в ограниченном объеме пространства, она начинает усиленно двигаться, и чем значительнее ограничение, тем выше скорость. Следовательно, в атоме действуют две противоположные силы, С другой стороны, электрические силы стремятся как можно сильнее приблизить электрон к ядру. Электрон реагирует на это, увеличивая свою скорость, и чем сильнее притяжение ядра, тем выше скорость; она может быть равна шестистам милям в секунду. Вследствие этого атом воспринимается как непроницаемая сфера, так же как вращающийся пропеллер выглядит как диск. Очень сложно еще больше сжать атом, и поэтому материя кажется нам твердой.

Таким образом, электроны в атоме размещаются на различных орбитах с тем, чтобы уравновесить притяжение ядра и свое противодействие этому. Тем не менее, орбиты электронов значительно отличаются от орбит планет Солнечной системы вследствие их волновой природы. Атом нельзя уподобить маленькой планетарной системе. Мы должны представить себе не частицы, вращающиеся вокруг ядра, а вероятностные волны, распределенные по орбитам. Производя измерения, мы обнаруживаем электроны в какой-либо точке орбиты, но не можем сказать, что они "вращаются вокруг ядра" в понимании классической механики.

На орбитах эти электронные волны формируют замкнутые паттерны так называемых "стоячих волн". Эти паттерны возникают всегда, когда волны ограничены в некотором конечном пространстве, как, например, упругие колебания гитарной струны или воздушные колебания внутри флейты (см. рис. 6). Известно, что стоячие волны могут иметь ограниченное количество очертаний. В случае с электронами внутри атома это означает, что они могут существовать только на определенных атомных орбитах, имеющих определенный диаметр. Например, электрон атома водорода может находиться только на его первой, второй или третьей орбите, но не между ними. При нормальных условиях он всегда будет на нижней орбите, которая называется "стационарным состоянием" атома. Оттуда электрон, получив необходимое количество энергии, может перескочить на более высокие орбиты, и тогда говорят, что атом находится в "возбужденном состоянии", из которого может вновь перейти в стационарное, испустив избыточное количество энергии в силе фотона, или кванта электромагнитного излучения. Все атомы, обладающие одинаковым количеством электронов, характеризуются одинаковыми очертаниями электронных орбит и одинаковым расстоянием между ними. Поэтому два атома--скажем, кислорода,--абсолютно идентичны. Приходя в возбужденное состояние--например, сталкиваясь в воздухе с другими атомами, в итоге все они неизбежно возвращаются в одно и то же состояние. Так, волновая природа электронов обуславливает идентичность атомов одного химического элемента и их высокую механическую устойчивость.

Состояния атома могут быть описаны при помощи ряда целых чисел, получивших название "квантовых чисел" и обозначающих местонахождение и форму электронных орбит. Первое квантовое число--это номер орбиты, определяющий количество энергии, которым должен обладать электрон для того, чгобы находиться на ней; два других числа определяют точную форму электронной волны на орбите, а также скорость и направление {42} вращения электрона, причем не следует понимать "вращение" электрона в классическом механистическом смысле: оно определяется формой электронной волны в терминах вероятности существования частицы в определенных точках орбиты. Поскольку эти характеристики выражаются целыми числами, это означает, что количество вращения электрона увеличивается не постепенно, а скачкообразно--от одной фиксированной величины к другой. Большие значения квантовых чисел соответствуют возбужденным состояниям атома, в то время как электроны атома, находящегося в стационарном состоянии, расположены как можно ближе к ядру и имеют минимально возможное количество вращения.

Вероятности существования, частицы, которые в ответ на их ограничение в пространстве увеличивают скорость движения, внезапные переключения атомов с одного "квантового состояния" на другое и глубокая взаимосвязанность всех явлений--вот некоторые черты необычной для нас атомной действительности. С другой стороны, основная сила, действующая в мире атомов, известна и в макроскопическом мире. Это сила притяжения, действующая между положительно заряженными ядрами и отрицательно заряженными электронами. Взаимодействие этой силы с электронными волнами порождает огромное количество разнообразных структур и явлений, которые окружают нас. Оно отвечает за все химические реакции и за образование молекул--соединений, состоящих из нескольких атомов, связанных силами взаимного притяжения. Таким образом, взаимодействие электронов с ядром обеспечивает возможность существования всех твердых тел, жидкостей и газов, а также живых организмов и биологических процессов, связанных с жизнедеятельностью последних.

В этом, исключительно богатом, мире атомных явлений ядра исполняют роль предельно малых устойчивых центров, представляющих собой источник электрических сил и образующих основу огромного множества молекулярных структур. Для понимания этих структур и вообще всех явлений природы все, что нам нужно знать о ядрах атомов--величина их заряда и их масса. Однако тот, кто хочет понимать природу материи и знать, из чего, в конечном счете, она состоит, должен исследовать ядро атома, заключающее в себе почти всю массу последнего. Поэтому в тридцатые годы нашего века, после того, как квантовая теория пролила свет на мир атома, главной задачей физиков стало изучение структуры ядра, его компонентов и сил притяжения внутри ядра.

Первым важным шагом к пониманию структуры ядра было открытие его второго компонента (первым является протон)--нейтрона: частицы с массой, примерно равной массе протона, в две тысячи раз превышающей массу электрона, но лишенной электрического заряда. Это открытие обнаружило тот факт, что ядра всех химических элементов состоят из протонов и нейтронов, и что сила, связывающая частицы внутри ядра--совершенно новое явление. Она не могла иметь электромагнитной природы, поскольку нейтроны электрически нейтральны. Физики поняли) что перед ними-новая сила природы, не существующая вне ядра. {43}

Ядро атома в сто тысяч раз меньше самого атома, и все же содержит почти всю его массу. Это значит, что плотность вещества внутри ядра гораздо выше, чем в привычных нам формах материи. В самом деле, если бы человеческое тело обладало бы плотностью ядра, оно было бы величиной с булавочную головку. Однако такая высокая плотность--не единственное необычное свойство ядерного вещества. Обладая, как и электроны, квантовой природой, "нуклоны", как часто называют нейтроны, реагируют на ограничение в пространстве, значительно увеличивая свою скорость, а поскольку им отводится гораздо более ограниченный объем, их скорость очень высока--около сорока тысяч миль в секунду. Таким образом, ядерное вещество--одна из форм материи, которая совершенно не похожа ни на одну из форм материи, существующую в нашем макроскопическом окружении. Ядерное вещество можно сравнить с микроскопическими каплями предельно плотной жидкости, которые бурно кипят и булькают.

Радикальное своеобразие ядерного вещества, определяющее его необычные свойства--мощность ядерной силы, действующей только на очень близком расстоянии, равном примерно двум-трем диаметрам нуклона. На таком расстоянии ядерная сила притягивает; при его сокращении она становится явно отталкивающей и препятствует дальнейшему сближению нуклонов. Так, ядерная сила приводит ядро в исключительно стабильное и исключительно динамическое равновесие.

Согласно результатам этих исследований, большая часть вещества сосредоточена в микроскопических сгустках, разделенных огромными расстояниями. В обширном пространстве между тяжелыми, бурно кипящими каплями ядер движутся электроны, которые составляют очень большой процент от общей массы, но придают материи свойство твердости и обеспечивают необходимые связи для образования молекулярных структур. Они также участвуют в химических реакциях и отвечают за химические свойства веществ. С другой стороны, электроны обычно не участвуют в ядерных реакциях, не обладая достаточной энергией для нарушения равновесия внутри ядра.

Однако эта форма материи, обладающая многообразием очертаний, структур и сложной молекулярной архитектурой, может существовать лишь при том условии, что температура не очень высока, и колебательные движения молекул не очень сильны. Все атомные и молекулярные структуры разрушаются при увеличении термической энергии примерно в сто раз, что, например, имеет место внутри большинства звезд. Получается, что состояние большей части материи во Вселенной отличается от описанного выше. В центре находятся большие скопления ядерного вещества; там преобладают ядерные процессы, столь редкие на Земле. Эти процессы являются причиной разнообразных звездных явлений, наблюдаемых астрономией, большая часть которых вызвана ядерными и гравитационными эффектами. Для нашей планеты особенно важны ядерные процессы в центре Солнца, питающие энергией околоземное пространство. Современная физика одержала триумфальную победу, обнаружив, что постоянный поток солнечной энергии--результат ядерных реакции. {44}

В процессе изучения субмикроскопического мира в начале тридцатых годов нашего столетия наступил этап, принесший уверенность в том, что "строительные кирпичики" материи наконец открыты. Тогда уже стало известно, что вся матерня состоит из атомов, а атомы--из протонов, нейтронов и электронов. Эти так называемые "элементарные" частицы воспринимались как предельно малые, неделимые единицы материи, подобные атомам Демокрита. Хотя из квантовой теории следует, что нельзя разложить мир на отдельные мельчайшие составляющие, в то время это обстоятельство не было осознано всеми. О значительном авторитете классической механики говорит тот факт, что в те годы большинство физиков придерживалось мнения, что материя состоит из "строительных кирпичиков", и даже сейчас эта точка зрения находит достаточно сторонников.

Однако последующие достижения современной физики показали, что нужно отказаться от представлений об элементарных частицах как о мельчайших составляющих материи. Первое из них носило экспериментальный характер, второе--теоретический, и оба были сделаны в тридцатые годы. Что касается экспериментальной стороны, то усовершенствование техники проведения эксперимента и разработка новых приборов детекции частиц помогли открыть новые их разновидности. Так, к 1935 году было известно уже не три, а шесть элементарных частиц, к 1955--восемнадцать, а к настоящему времени их известно более двухсот. В такой ситуации слово "элементарный" вряд ли применимо. По мере увеличения количества известных частиц росла уверенность в том, что не все из них могут так называться, а сегодня многие физики считают, что этого названия не заслуживает ни одна из них.

Эта точка зрения подкрепляется теоретическими исследованиями, проводившимися одновременно с экспериментальным изучением частиц. Вскоре после выдвижения квантовой теории стало очевидно, что она не является всеобъемлющей теорией для описания ядерных явлений, и должна быть дополнена теорией относительности. Дело в том, что частицы, ограниченные в пределах ядра, часто движутся со скоростью, близкой к скорости света. Это очень важно, так как описание любого природного явления, в котором действуют скорости, близкие к световой, должно учитывать теорию относительности и быть, как говорят физики, "релятивистским". Поэтому для точного понимания мира ядра нам нужна теория, объединяющая теорию относительности и квантовую теорию, Такая теория еще не выдвигалась, и поэтому попытки полного описания ядра были обречены на неудачу. Хотя мы немало знаем о строении ядра и о взаимодействиях ядерных частиц, мы не располагаем фундаментальным пониманием природы ядерных сил и сложной формы, в которой они проявляются. Не существует и всеобъемлющей теории ядерной частицы, сопоставимой с описанием атома в квантовой теории. Существует несколько "квантово-релятивистских" моделей, вполне удовлетворительно отражающих отдельные аспекты мира частиц, но слияние квантовой теории и теории относительности и создание общей теории частиц остается основной из пока нерешенных задач, стоящих перед современной физикой. {45}

Теория относительности оказала сильное воздействие на наши представления о материи, заставив нас существенно пересмотреть понятие частицы. В классической физике масса тела всегда ассоциировалась с некоей неразрушимой материальной субстанцией--с неким "материалом", из которого, как считалось, были сделаны все вещи. Теория относительности показала, что масса не имеет отношения ни к какой субстанции. являясь одной из форм энергии. Однако энергия--это динамическая величина, связанная с деятельностью или процессами. Тот факт, что масса частицы может быть эквивалентна определенному количеству энергии, означает, что частица должна восприниматься не как нечто неподвижное и статичное, а как динамический паттерн, процесс, вовлекающий энергию, которая проявляет себя в виде массы некой частицы.

Начало новому взгляду на частицы положил Дирак, сформулировавший релятивистское уравнение для описания поведения электронов. Теория Дирака не только очень успешно описывала сложные подробности строения атома, но также обнаружила фундаментальную симметричность матерни и антиматерии, предсказав существование антиэлектрона, обладающего массой электрона, но с противоположным зарядом. И в самом деле, два года спустя была открыта такая положительно заряженная частица, получившая название позитрона. Из принципа симметричности материи и антиматерии следует, что для каждой частицы существует античастица с той же массой и зарядом противоположного знака. Пары частиц и античастиц возникают при наличии достаточного количества энергии и превращаются в чистую энергию при обратном процессе аннигиляции. Существование процессов синтеза и аннигиляции частиц было предсказано теорией Дирака до того, как они были открыты в природе, и с тех пор наблюдались в лаборатории миллионы раз.

Возможность возникновения материальных частиц из чистой энергии -- воистину самое необыкновенное следствие из теории относительности, которое можно объяснить только при условии использования выше описанного подхода. До того, как физика стала рассматривать частицы с позиции теории относительности, считалось, что материя состоит либо из неразрешимых и неизменяемых элементарных частиц, либо из сложных объектов, которые можно разложить на более мелкие; и вопрос был только в том, возможно ли бесконечно делить материю на все более мелкие единицы, или существуют мельчайшие неделимые частицы. Открытие Дирака осветило проблему делимости вещества новым светом. При столкновении двух частиц с высокой энергией они обычно разбиваются на части, размеры которых, однако, не меньше размеров исходных частиц. Это частицы такого же типа, возникающие из энергии движения (кинетической энергии), задействованной в процессе столкновения. В результате проблема делимости материи решается совершенно непредвиденным образом. Единственный способ дальнейшего деления субатомных частиц--их столкновение с использованием высокой энергии. Таким образом, мы можем снова и снова делить материю, но не можем получить более мелких частей, так как частицы просто возникают из используемой нами энергии. Итак, субатомные частицы одновременно делимы и неделимы. {46}