С — следствие. Статистический характер квантовой механики заставляет признать, что одна причина может иметь разные следствия
С1 ← П → С2
и к одному следствию могут вести разные причины
П1 → С ← П2
(это получило название неоднозначного детерминизма). Дальнейшее продвижение по этому пути приводит к принципу индетерминизма, т. е. к отрицанию того, что все события должны обязательно иметь причину.
Значение эксперимента возросло в квантовой механике до такой степени, что, как писал Гейзенберг, «наблюдение играет решающую роль в атомном событии, и что реальность различается в зависимости от того, наблюдаем мы ее или нет»[67]. Из данного обстоятельства, заключающегося в том, что сам измерительный прибор влияет на результаты измерения и участвует в формировании изучаемого явления, следовало, во-первых, представление об особой «физической реальности», которой присущ данный феномен, а во-вторых, представление о субъект-объектном единстве как единстве измерительного прибора и изучаемой реальности. «Квантовая теория уже не допускает вполне объективного описания природы»[68]. Человек перешел на тот уровень исследования, где его влияние неустранимо в ходе эксперимента, и фиксируемым результатом является взаимодействие изучаемого объекта и измерительного прибора.
Итак, принципиально новыми моментами в исследовании микромира стали:
1) каждая элементарная частица обладает как корпускулярными, так и волновыми свойствами;
2) вещество может переходить в излучение (аннигиляция частицы и античастицы дает фотон, т. е. квант света);
3) можно предсказать место и импульс элементарной частицы только с определенной вероятностью;
4) прибор, исследующий реальность, влияет на нее;
5) точное измерение возможно только при изучении потока частиц, но не одной частицы.
По существу, относительность восторжествовала и в квантовой механике, так как ученые признали, что нельзя, во-первых, найти истину безотносительно от измерительного прибора; во-вторых, знать одновременно и положение, и скорость частиц; в-третьих, установить, имеем ли мы в микромире дело с частицами или с волнами. Это и есть торжество относительности в физике XX века.
В химии элементом назвали субстанцию, которая не могла быть разложена или расщеплена какими угодно средствами, имевшимися в то время в распоряжении ученых: кипячением, сжиганием, растворением, смешиванием с другими веществами. Затем в физике появилось понятие атома, заимствованное у Демокрита (от греч. «atomos» — неделимый), которым была названа мельчайшая единица материи, входящая в состав химического элемента. Химический элемент состоит из одинаковых атомов.
Потом выяснилось, что сам атом состоит из элементарных частиц. В первой модели атома, предложенной Э. Резерфордом, электроны движутся вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца (планетарная модель атома). Установлено, что поперечник атома составляет 10-8 см, а ядра — 10-12 см. Масса протона больше массы электрона примерно в 2 000 раз. Плотность ядра — 1014 г/см3. Превращение химических веществ друг в друга, о чем мечтали алхимики, возможно, но для этого нужно изменить атомное ядро, а это требует энергий, в миллионы раз превосходящих энергию химических процессов.
В XX в. открыто огромное количество элементарных частиц и выявлены закономерности их взаимодействия. Элементарные частицы можно разделить на несколько групп: адроны (из них состоят ядра), лептоны (электроны, нейтрино), фотоны (кванты света без массы покоя). Фотоны и нейтрино движутся со скоростью света.
Английский ученый П. Дирак предсказал существование античастиц с той же массой, что и частицы, но с зарядом противоположного знака. На ускорителях высоких энергий получены позитроны (античастицы электронов) в 1932 г. и антипротоны в 1955 г. При столкновении частица и античастица аннигилируют с выделением фотонов — безмассовых частиц света (вещество переходит в излучение). В результате взаимодействия фотонов могут рождаться пары «частица — античастица».
Изучают свойства атомов и элементарных частиц на гигантских ускорителях (первый построен в 1929 г. в Англии), в которых частицы двигаются по спирали. Современный ускоритель представляет собой установку в полкилометра в окружности и строятся ускорители еще более мощные.
Открытие все большего количества элементарных частиц подтвердило взаимопревращение вещества и энергии (предсказанное, впрочем, еще Анаксимандром), так что материя, которая прежде отождествлялась с веществом, все больше начала походить на материю как «потенцию» (по Аристотелю), которая нуждается в форме, чтобы стать вещественной реальностью.
Понятия «химический элемент» и «элементарная частица» свидетельствуют о том, что и то, и другое когда-то предполагалось простым и бесструктурным. Затем ученые перестали употреблять для каждого нового уровня одно и то же слово «элемент» (неделимый), и для частиц, из которых состоят протоны и нейтроны, взяли ничего конкретно не значащее слово из художественного произведения — «кварк». Все кажется элементарным, пока не обнаружишь его составные части.
Теоретически предсказанные кварки, главной особенностью которых является дробный заряд, были затем экспериментально найдены. В 1994 г. обнаружен последний из шести разновидностей самый тяжелый кварк. Будет ли конец возможности расщепления, определит прогресс научного знания. Пока нижним теоретически предсказанным уровнем считается уровень струн, от которых произошли и элементарные частицы, и физические поля.
Известны четыре основных физических взаимодействия (или силы), которые определяют структуру нашего мира: гравитационные, электромагнитные, сильные, слабые.
Гравитационное взаимодействие — первое, которое было открыто, и оно составляет физическую основу закона всемирного тяготения. Первоначальное название этого взаимодействия — сила тяготения, или притяжения. Но так как понятие силы относится к одностороннему воздействию, а в реальности не одно тело, имеющее большую массу, действует на другое, а все тела притягиваются друг к другу, то понятие взаимодействия более точно отражает суть процесса. За счет гравитационного взаимодействия существуют звездные системы. Если бы его не было, то планеты могли бы «не захотеть» вращаться вокруг звезд. Именно гравитационное взаимодействие создает тот порядок (космос, по-гречески), благодаря которому существуют не только звездные системы, но и образуются все крупные тела из диффузного вещества.
Электромагнитное взаимодействие во много раз сильнее гравитационного. Это необходимо для того, чтобы могли существовать атомы вещества. «Спустя 100 лет после того, как Ньютон открыл закон тяготения, Кулон обнаружил такую же зависимость электрической силы от расстояния. Но закон Ньютона и закон Кулона существенно различаются в следующих двух отношениях. Гравитационное притяжение существует всегда, в то время как электрические силы существуют только в том случае, если тела обладают электрическими зарядами. В законе тяготения имеется только притяжение, а электрические силы могут как притягивать, так и отталкивать»[69]. При электромагнитном взаимодействии происходит испускание и поглощение «квантов света» — фотонов. Электромагнитное взаимодействие необходимо для создания и соединения атомов и молекул. Ядро атома, в котором находятся протоны и нейтроны, заряжено положительно, и оно притягивает отрицательно заряженные электроны, которые вращаются вокруг него.
Сильное взаимодействие возможно только на малых расстояниях (радиус примерно 10-13 см), оно короткодействующее в отличие от длиннодействующих гравитационных и электромагнитных. Сильное взаимодействие отличается от трех других основных взаимодействий также тем, что при удалении друг от друга взаимодействующих частиц оно не ослабевает, а возрастает.
Сильное взаимодействие открыто Э. Резерфордом в 1911 г. одновременно с открытием атомного ядра, которое и существует благодаря сильному взаимодействию. Сильное взаимодействие удерживает ядро. Оно передается глюонами (по англ. — клей) и действует на кварки, но не на лептоны (в этом различие между данными элементарными частицами). Из-за сильного взаимодействия кварки существуют только в связанном виде в составе протонов и нейтронов.
Сильное взаимодействие в 100-1000 раз сильнее электромагнитного. Это необходимо для того, чтобы могли существовать ядра атомов, поскольку в противном случае электромагнитное взаимодействие будет препятствовать их образованию (напомним, что при электромагнитном взаимодействии одинаково заряженные частицы отталкиваются и если бы электромагнитное взаимодействие было сильнее сильного взаимодействия, то положительно заряженные протоны не могли бы соединяться между собой и образовывать ядра атомов). Посредством сильного взаимодействия создаются ядра атомов, а также частицы, из которых состоят ядра атомов — протоны и нейтроны. Ядерные силы действуют в одном направлении как притяжение и не зависят от заряда частиц. В сильных взаимодействиях величина заряда сохраняется.
Слабое взаимодействие слабее электромагнитного, но сильнее гравитационного. Оно также действует только на очень малых расстояниях в пределах атомного ядра. Радиус действия на два порядка меньше радиуса сильного взаимодействия (10-15 см). За счет слабого взаимодействия происходят превращения атомных ядер (в том числе радиоактивный распад), а так как именно такие процессы протекают в недрах звезд, то можно сказать, что за счет слабого взаимодействия светит Солнце (при превращении атома водорода в атом гелия протон распадается на нейтрон, позитрон и нейтрино). Испускаемое нейтрино обладает огромной проницающей способностью — оно проходит через железную плиту толщиной в миллиард километров. При слабых взаимодействиях меняется заряд частиц.