Текст книги "Дао физики"
Автор книги: Фритьоф Капра
сообщить о нарушении
Текущая страница: 5 (всего у книги 20 страниц) [доступный отрывок для чтения: 8 страниц]
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 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.
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.
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 материя 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.
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 материи 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.
Это положение дел будет казаться парадоксальным до тех пор, пока мы придерживаемся взглядов о сложных «предметах», состоящих из «строительных кирпичиков». Парадокс исчезает только при динамическом релятивистском подходе. Тогда частицы воспринимаются как динамические паттерны или как процессы, задействующие некоторое количество энергии, заключенное в их массе. В процессе столкновения энергия двух частиц перераспределяется и образует новый паттерн, и, если кинетическая энергия столкновения достаточно велика, то новый паттерн может включать дополнительные частицы, которых не было в исходных частицах.
Высокоэнергетические столкновения субатомных частиц – основной метод, который используют физики для изучения их свойств, и по этой причине физика частиц носит также название физики высоких энергий. Кинетическая энергия гарантируется в огромных, достигающих в окружности нескольких миль, ускорителях частиц, в которых протоны разгоняются до скорости, близкой к скорости света, а затем сталкиваются с другими протонами или нейтронами.
Большинство частиц, возникающих пои столкновениях, очень недолговечны и существуют гораздо меньше одной миллионной доли секунды, после чего они снова распадаются на протоны, нейтроны и электроны. Несмотря на крайне непродолжительный срок существования, можно не только обнаружить эти частицы и измерить их характеристики, но и сфотографировать их следы. Для фиксации следов, или треков, частиц используются специальные так называемые «пузырьковые камеры». Принцип их действия напоминает след реактивного самолета в небе. Сами частицы на несколько порядков меньше пузырьков, составляющих следы частиц, но по толщине и искривленности трека физики могут определить, какая частица его оставила. В точках, из которых исходит несколько треков, происходят столкновения частиц; искривления возникают из-за использования исследователями магнитных полей. Столкновения частиц – основной экспериментальный метод для изучения их свойств и взаимодействий, и красивые линии, спирали и дуги в пузырьковых камерах имеют первостепенное значение для современной физики.
Эксперименты последних десятилетий раскрыли динамическую сущность мира частиц. Любая частица может быть преобразована в другую; энергия может превращаться в частицы, и наоборот. В этом мире бессмысленны такие понятия классической физики, как «элементарная частица», «материальная субстанция» и «изолированный объект». Вселенная предстапляет собой подвижную сеть неразделенно связанных энергетических процессов. Всеобъемлющая теория для описания субатомной действительности еще не найдена, но уже сейчас существует несколько моделей, вполне удовлетворительно описывающих ее определенные аспекты. Все они несвободны от математических трудностей и порою противоречат друг другу, все же отражая при этом глубинное единство и подвижность материи. Они показывают, что свойства частицы могут быть поняты только в терминах ее активности, то есть ее взаимодействия с окружающей средой, и что частицы следует рассматривать не как самостоятельные единицы, а как неотделимые части целого.
Теория относительности радикальным образом изменила наши представления не только о частицах, но и о силах взаимного притяжения и отталкивания частиц. При релятивистском подходе считается, что эти силы эквивалентны таким же частицам. Подобную картину сложно себе представить. Такое положение дел обусловлено четырехмерной пространственно-временной сущностью субатомной действительности, с которой сложно иметь дело и нашей интуиции, и вербальному мышлению. Однако осознать необходимо, если мы хотим постичь субатомные явления. Релятивистский подход соотносит силы, действующие между составными частями вещества, со свойствами этих составных частей и таким образом объединяет два понятия – понятия силы и вещества – которые со времени греческих атомистов казались абсолютно самостоятельными. Сейчас считается, что и сила, и материя берут свое начало в динамических системах, которые мы называем частицами.
Тот факт, что частицы взаимодействуют при помощи сил, способных преобразовываться в такие же частицы, – еще одно свидетельство в пользу нашего утверждения о невозможности разделения субатомной действительности на составные части. Начиная от нашего макроскопического окружения и вплоть до уровня ядра силы притяжения относительно слабы, и можно сделать обобщение, сказав, что вещи состоят из частей. Так, крупинка соли состоит из молекул, молекулы соли – из двух разновидностей атомов, атомы – из ядер и электронов, а ядра – из протонов и нейтронов. Однако на уровне элементарных частиц такой взгляд на вещи уже недопустим.
В последнее время появилось много свидетельств в пользу того, что протоны и нейтроны тоже могут быть разложены на составные части, однако то обстоятельство, что силы притяжения внутри них столь сильны, или же, что, в сущности, одно и то же, скорости их компонентов столь высоки, указывает на необходимость применения релятивистского подхода, в рамках которого все силы одновременно являются частицами. Таким образом, стирается различие между частицами – компонентами нуклона и частицами, проявляющимися в форме сил притяжения, и вышеупомянутое обобщение теряет силу. Мир частиц нельзя разложить на элементарные составляющие.
Таким образом, согласно представлениям современной физики, Вселенная – это динамическое неделимое целое, включающее и наблюдателя. Здесь традиционные понятия пространства и времени, изолированных объектов, причины и следствия теряют смысл. В то же время, похожие представления издавна имели место в восточных мистических традициях. Эта параллель становится очевидной при рассмотрении квантовой теории и теории относительности и, в еще более значительной степени, при рассмотрении квантово-релятивистских моделей субатомной физики, объединяющих обе теории.
Перед подробным обсуждением этих параллелей я кратко расскажу о некоторых философских учениях Востока, которые, вероятно, мало знакомы читателю. Я имею в виду различные философские школы таких религиозно-философских учений, как индуизм, буддизм и даосизм. В последующих пяти главах описываются взгляды этих школ, а также исторические обстоятельства, в которых они сформировались, причем наибольшее внимание уделяется тем разделам учения, которые представляют интерес для последующего сопоставления с физикой.
