Первый шаг в мир атомов привел к тому, что представление физиков о материи изменилось кардинально. Второй шаг — проникновение в мир атомных ядер и их компонентов — был ничуть не менее значимым. В этом мире нам приходится иметь дело с величинами в сотни тысяч раз меньшими, чем размеры атома, что обусловливает их более высокую скорость. Они движутся гораздо быстрее, чем частицы во внутриатомном пространстве — так быстро, что для их описания необходима специальная теория относительности. Поэтому для понимания свойств субатомных частиц и характера их взаимодействий используется подход, который сочетает квантовую теорию с теорией относительности; причем именно последняя заставляет нас изменить свои представления о природе материи.
Важнейшая характерная особенность релятивистского подхода состоит в том, что он объединяет фундаментальные понятия, которые ранее представлялись самостоятельными. Один из самых важных примеров — эквивалентность массы и энергии, сформулированная Эйнштейном в виде знаменитого уравнения Е = mc2. Чтобы уяснить ее фундаментальное значение, рассмотрим понятия массы и энергии по отдельности.
Энергия — одно из важнейших понятий, используемых для описания природных явлений. Как и в повседневной жизни, в физике мы говорим, что тело обладает некоторой энергией, если оно способно совершить какую-либо работу. Энергия принимает множество разных форм: движения, тепловая, гравитации, электрическая, химическая и др. Например, камень, поднятый на некоторую высоту над землей, обладает гравитационной энергией. Если его бросить вниз, то последняя преобразуется в энергию движения (кинетическую), а при падении на землю он может совершить механическую работу, разбив что-нибудь. Более конструктивный пример — преобразование электрической или химической энергии в бытовых приборах в тепловую. В физике энергия всегда связана с протеканием тех или иных процессов, и фундаментальное значение этого понятия заключается в том, что общее количество энергии, принимающей участие в процессе, подчиняется закону сохранения. Энергия может изменить свою форму самым сложным образом, но никакая ее часть не теряется. Закон сохранения энергии принадлежит к числу важнейших законов физики. Ему подчиняются все известные законы природы, и до сих пор не было обнаружено никаких свидетельств его нарушения.
Масса тела — мера его собственного веса, т. е. гравитационного воздействия на него. Кроме того, масса характеризует инерцию тела, его сопротивление ускоряющим силам. Тяжелые тела сложнее привести в движение, чем легкие. Это известно каждому, кто хоть раз пытался сдвинуть с места машину. В классической физике понятие массы ассоциировалось также с представлениями о неуничтожаемой материальной субстанции — «материи», из которой должны состоять все вещи. Масса, как и энергия, подчиняется закону сохранения и не может исчезать.
Но теория относительности утверждает, что масса — не что иное, как одна из форм энергии. Энергия может не только принимать различные формы, которые были известны в классической физике, но и быть «законсервирована» в массе тела. Количество энергии, содержащееся, например, в частице, эквивалентно массе частицы, помноженной на скорость света в квадрате:
Будучи формой энергии, масса теряет свойство неуничтожимости и способна свободно преобразовываться в другие формы энергии. Последнее имеет место при столкновениях субатомных частиц. При этом некоторые частицы могут быть разрушены, а энергия, содержащаяся в их массе, преобразоваться в кинетическую и распределиться между другими частицами, участвующими в столкновении. А при столкновении частиц, движущихся с очень высокими скоростями, их кинетическая энергия может использоваться для образования новых частиц.
Следующая фотография (рис. 33) демонстрирует особый пример такого столкновения: протон влетает в пузырьковую камеру слева, выбивает электрон из атома (спиральный след), а затем сталкивается с еще одним протоном, создавая в процессе 16 новых частиц.
Рис. 33. Иллюстрация столкновения протона и электрона
Создание и уничтожение материальных частиц — одно из самых впечатляющих следствий эквивалентности энергии и массы. В процессе столкновений в экспериментах в физике высоких энергий масса уже не сохраняется. Сталкивающиеся частицы могут быть уничтожены, а энергия, заключенная в них, частично перейти в массы частиц, а частично — преобразоваться в кинетическую энергию новых участников процесса. В ходе таких столкновений сохраняется суммарная энергия — кинетическая и масс частиц. Сталкивание субатомных частиц друг с другом становится важнейшим инструментом для изучения свойств массы и энергии и их взаимоотношений. Последние подтверждались много раз; для ученых, занимающихся физикой частиц, эквивалентность массы и энергии настолько очевидна, что они определяют массы частиц в соответствующих единицах энергии.
Открытие, что масса — разновидность энергии, заставило нас кардинально пересмотреть наши взгляды на понятие частицы. Масса уже не рассматривается как величина, определяющая наличие в том или ином объекте определенного количества некой материальной субстанции, а частицы рассматриваются не как базовый «материал» природы, а как сгустки энергии. Но, поскольку энергия ассоциируется с работой и динамическими процессами, считается, что субатомные частицы имеют изначально динамическую природу. Чтобы осознать это, мы должны помнить, что эти частицы нужно рассматривать только с релятивистской точки зрения, в рамках которой пространство и время — неразрывный четырехмерный континуум. Частицы нужно представлять не как неподвижные трехмерные объекты, подобные бильярдным шарам или крупинкам песка, а как четырехмерные структуры в пространстве-времени. Их формы необходимо понимать динамически — как формы пространства и времени. Субатомные частицы — динамические модели, каждая из которых имеет пространственный и временной аспекты. Пространственный придает им характеристики объектов, обладающих массой, а временной — характеристики процессов, в которые включено количество энергии, равное их массе.
Эти динамические модели, или «пучки энергии», формируют устойчивые ядерные, атомарные и молекулярные структуры, которые и образуют материю, придавая ей вид твердого тела. Это и заставляет нас думать, что окружающие предметы состоят из некой материальной субстанции. На макроскопическом уровне это понятие может существовать в качестве упрощения, но на атомарном уровне оно лишено смысла. Атомы состоят из частиц, в которых нет признаков материального (наблюдения только подтверждают это). Всё говорит о том, что мы имеем дело с динамическими структурами, постоянно преобразующимися одна в другую, т. е. с непрекращающимся танцем энергии.
Квантовая теория показала, что частицы — не отдельные крупицы вещества, а вероятностные модели и переплетения в неразрывной космической паутине. Теория относительности оживила эту картину, раскрыв динамический характер этих моделей. Она показала, что активность материи — основа ее существования. Частицы субатомного мира активны не только потому, что они очень быстро движутся; они являются процессами сами по себе! Мы не можем отделить существование материи от ее активности. Это различные аспекты одной и той же пространственно-временной действительности.
В предыдущей главе мы рассуждали о том, что знания о «взаимопроникновении» времени и пространства привели восточных мистиков к созданию восприятия мира, которому изначально свойственны изменения. Древние трактаты доказывают, что они не только воспринимают мир в понятиях движения, течения и изменения, но и интуитивно ощущают «пространственно-временную» сущность материальных объектов, что свойственно и релятивистской физике. Физикам приходится учитывать единство времени и пространства при изучении субатомного мира, а следовательно, рассматривать частицы не как статичные, а как динамические объекты в категориях энергии, активности и процессов. У восточных мистиков необычные состояния сознания помогают выявить связь между пространством и временем на макроскопическом уровне, и их восприятие объектов действительности оказывается близким к представлениям физиков о субатомных частицах. Особенно это бросается в глаза в буддизме. Одно из важнейших наставлений Будды звучит так: «Все составные вещи не вечны». В оригинальном тексте этого изречения на языке пали[191] для выражения понятия «вещь» используется слово санкхара (на санскрите — самскара), которое в первую очередь означает «событие» или «случившееся», а также «деяние» или «свершение» и только во вторую — «существующая вещь». Это ясно показывает, что буддисты воспринимают материальный мир динамически и видят процессы вечного изменения. По словам Дайсэцу Судзуки, буддисты воспринимают объект как событие, а не нечто материальное. Их представление о вещи как о самскаре (или санкхаре), т. е. «деяниях» или «событиях», четко указывает, что они рассматривают наш опыт в категориях времени и движения[192].
Как и современные физики, буддисты видят во всех объектах процессы, происходящие в едином потоке, и отрицают существование материальной субстанции. Это общий подход для всех школ и направлений буддизма. Китайские философы тоже близки к подобному пониманию мироустройства. Они воспринимают все его объекты как переходящие эпизоды бесконечного течения Дао. Их гораздо больше интересуют законы, регулирующие взаимоотношения объектов, чем разложение их на базовые составляющие. «В то время как европейская философия пыталась объяснить мир субстанцией, — пишет Джозеф Нидэм, — китайские философы склонны были объяснять действительность существующими в ней взаимосвязями»[193].
Динамические воззрения восточных мистиков и современных физиков исключают возможность существования устойчивых форм, а также материальной субстанции. Основными составляющими Вселенной являются динамические модели — чередующиеся этапы «нескончаемого потока трансформаций и изменений», как говорил Чжуан-цзы.