Внешние вещественные связи

В естественных науках выделяют два больших класса материальных сис­тем: системы неживой природы и системы живой природы. В неживой природе в качестве структурных уровней организации мате­рии выделяют физический вакуум, элементарные частицы, атомы, мо­лекулы, поля, макроскопические тела, планеты и планетные системы, звезды и звездные системы — галактики, системы галактик — Метага­лактику.

В живой природе к структурным уровням организации материи относят системы доклеточного уровня — нуклеиновые кислоты и белки; клетки как особый уровень биологической организации, представленные в форме одноклеточных организмов и элементарных единиц живого ве­щества; многоклеточные организмы растительного и животного мира; надорганизменные структуры, включающие виды, популяции и биоце­нозы и, наконец, биосферу как всю массу живого вещества.

В природе все взаимосвязано, поэтому можно выделить такие системы,

которые включают элементы как живой, так и неживой природы, —

биогеоценозы.

Естественные науки, начав изучение материального мира с наиболее

простых, непосредственно воспринимаемых человеком материальных

объектов, переходят далее к изучению сложнейших объектов глубинных

структур материи, выходящих за пределы человеческого восприятия и

несоизмеримых с объектами повседневного опыта.

Применяя системный подход, естествознание не просто выделяет типы

материальных систем, а раскрывает их связи и соотношения.

В науке выделяют три уровня строения материи:

1) макромир — мир макрообъектов, размерность которых соотносима с
масштабами человеческого опыта: пространственные величины выра­
жаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время — в секун­
дах, минутах, часах, годах;

2) микромир — мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых
микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется от
10~¹⁶ до 10~⁸ см, а время жизни — от бесконечности до 10~²⁴ с;

3) мегамир — мир огромных космических масштабов и скоростей, рас­
стояние в котором измеряется световыми годами, а время существова­
ния космических объектов — миллионами и миллиардами лет.

И хотя на этих уровнях действуют свои специфические закономерно­сти, микро-, макро- и мегамиры теснейшим образом взаимосвязаны. В настоящее время в области фундаментальной теоретической физики разрабатываются концепции, согласно которым объективно сущест­вующий мир не исчерпывается материальным миром, воспринимаемым нашими органами чувств или физическими приборами. Авторы данных концепций пришли к следующему выводу: наряду с материальным ми­ром существует реальность высшего порядка, обладающая принципи­ально иной природой по сравнению с реальностью материального ми­ра¹. С их точки зрения, мир высшей реальности определяет структуру и эволюцию материального мира. Утверждается, что объектами мира высшей реальности выступают не материальные системы, как в микро-, макро- и мегамирах, а некие идеальные физические и математические структуры, которые проявляются в материальном мире в виде естест­венно-научных законов. Эти структуры выступают как носители идей необходимости, общезначимости и регулярности, которые выражают сущ­ность объективных физических законов.

Но одних законов, порожденных такого рода физическими и математи­ческими структурами, явно недостаточно для существования матери­ального мира. Необходимо множество программ, определяющих «пове­дение» и эволюцию материальных объектов. Подобно тому как знание уравнений не обеспечивает решения задачи (для этого нужно еще и знание начальных условий), так и в общем случае наряду с фундамен­тальными законами должны существовать дополнительные к ним сущ­ности — программы.

¹ Владимиров Ю.С. Фундаментальная физика и религия. — М.: Архимед, 1993; Вла­димиров Ю.С., Карнаухов А.В., Кулаков Ю.И. Введение в теорию физических структур и бинарную геометрофизику. — М.: Архимед, 1993.

С точки зрения указанного подхода каждая материальная система являет­ся воплощением некоторой идеальной структуры, а ее эволюция опреде­ляется некой программой. Программа предполагает определенную направ­ленность развития, т.е. его цель. Поскольку никакая программа не может возникнуть сама по себе, а является продуктом творческого акта, то, как считают некоторые физики-теоретики, Вселенной присущ творческий Разум. С их точки зрения, материальный мир есть лишь самый «ниж­ний» слой бытия, взаимодействующий со всеми другими слоями и оп­ределяемый ими. Над миром материальных объектов возвышаются:

• этаж идеальных физических и математических структур, задающих
фундаментальные законы природы;

• этаж многочисленных программ, определяющих эволюцию Вселенной
в целом и материальных систем в частности;

• этаж духовного мира человека — мира духовной свободы. Вершиной в
иерархической структуре Вселенной является Высший Разум как
трансцендентное, т.е. сверхчувственное, сверхличностное, Первонача­
ло всего мироздания, возвышающееся над природой и человеком.

Такой подход противоречит строго научному знанию и представляет по своей сути проявление религиозного мировоззрения.

5.1. Макромир: концепции классического естествознания

В истории изучения природы можно выделить два этапа: до­научный и научный.

Донаучный, или натурфилософский, период охватывает время от античности до становления экспериментального естествознания в XVI—XVII вв. В этот период учения о природе носили чисто на­турфилософский характер: наблюдаемые природные явления объ­яснялись на основе умозрительных философских принципов.

Наиболее значимой для последующего развития естественных наук была концепция дискретного строения материи — атомизм, согласно которому все тела состоят из атомов — мельчайших в ми­ре частиц.

Античный атомизм был первой теоретической программой объ­яснения целого как суммы отдельных составляющих его частей. Исходными началами в атомизме выступали атомы и пустота. Сущ­ность протекания природных процессов объяснялась на основе ме­ханического взаимодействия атомов, их притяжения и отталкива­ния. Механистическая программа описания природы, впервые вы­двинутая в античном атомизме, наиболее полно реализовалась в классической механике, со становления которой начинается науч­ный этап изучения природы.

□ концепции классической физики

Поскольку современные научные представления о структурных уровнях организации материи были выработаны в ходе критическо-

го переосмысления представлений классической науки, примени­мых только к объектам макроуровня, то начинать исследование не­обходимо с концепций классической физики.

Формирование научных взглядов на строение материи относится к XVI в., когда Г. Галилеем была зало­жена основа первой в истории науки физической картины мира — механи­стической. Он не просто обосновал гелиоцентрическую систему Н. Копер­ника и открыл закон инерции, а раз­работал методологию нового способа описания природы — научно-теорети­ческого. Суть его заключалась в том, что выделялись только некоторые фи­зические и геометрические характери­стики, которые становились предметом научного исследования. Га­лилей писал: «Никогда я не стану от внешних тел требовать чего-либо иного, чем величина, фигура, количество и более или менее быстрого движения для того, чтобы объяснить возникновение вку­са, запаха и звука»¹. Выделение отдельных характеристик объекта позволяло строить теоретические модели и проверять их в условиях научного эксперимента. Эта методологическая концепция, впервые сформулированная Г. Галилеем в труде «Пробирные весы», оказала решающее влияние на становление классического естествознания.

Исаак Ньютон, опираясь на труды Галилея, разработал строгую научную теорию механики, описывающую и движение небесных тел, и движение земных объектов одними и теми же законами. Природа рассматривалась как сложная механическая система.

В рамках механистической картины мира, разработанной И. Нью­тоном и его последователями, сложилась дискретная {корпускуляр­ная) модель реальности. Материя рассматривалась как веществен­ная субстанция, состоящая из отдельных частиц — атомов, или кор­пускул. Предполагалось, что атомы абсолютно прочны, неделимы, непроницаемы, характеризуются наличием массы и веса.

Существенной характеристикой ньютоновского мира было трех­мерное пространство евклидовой геометрии, которое абсолютно постоянно и всегда пребывает в покое. Время представлялось как величина, не зависящая ни от пространства, ни от материи.

Движение рассматривалось как перемещение в пространстве по непрерывным траекториям в соответствии с законами механики. Считалось, что все физические процессы можно свести к переме-

¹ Цит. по Кузнецов Б.Т. От Галилея до Эйнштейна. — М.: Наука, 1996. — С. 38.

щению материальных точек под действием силы тяготения, которая является дальнодействующей.

Итог ньютоновской картины мира — Вселенная как гигантский и полностью детерминированный механизм, в котором события и процессы являют собою цепь взаимозависимых причин и следст­вий. Отсюда и вера в то, что теоретически можно точно реконст­руировать любую прошлую ситуацию во Вселенной или предсказать будущее с абсолютной определенностью. И.Р. Пригожий назвал эту веру в безграничную предсказуемость «основополагающим мифом классической науки».

Механистический подход к описанию природы оказался необы­чайно плодотворным. Вслед за ньютоновской механикой были соз­даны гидродинамика, теория упругости, механическая теория тепла, молекулярно-кинетическая теория и целый ряд других теорий, в рус­ле которых физика достигла огромных успехов. Однако были две об­ласти — оптических и электромагнитных явлений, которые не могли быть полностью объяснены в рамках механистической картины мира.

Разрабатывая оптику, И. Ньютон, следуя логике своего учения, считал свет потоком материальных частиц — корпускул. В корпус­кулярной теории света И. Ньютона утверждалось, что светящиеся тела излучают мельчайшие частицы, которые движутся в согласии с законами механики и вызывают ощущение света, попадая в глаз. На базе этой теории Ньютон дал объяснение законам отражения и преломления света.

Наряду с механистической корпускулярной теорией осуществ­лялись попытки объяснить оптические явления принципиально иным путем, а именно на основе волновой теории, сформулирован­ной нидерландским физиком X. Гюйгенсом (1629—1695). Волновая теория устанавливала аналогию между распространением света и движением волн на поверхности воды или звуковых волн в воздухе. В ней предполагалось наличие упругой среды, заполняющей все про­странство, — светоносного эфира. Распространение света рассматри­валось как распространение колебаний эфира: каждая отдельная точ­ка эфира колеблется в вертикальном направлении, а колебания всех точек создают картину волны, которая перемещается в пространстве от одного момента времени к другому. Главным аргументом в пользу своей теории X. Гюйгенс считал тот факт, что два луча света, пере­секаясь, пронизывают друг друга без каких-либо помех, в точности, как два ряда волн на воде.

Согласно же корпускулярной теории между пучками излученных частиц, из которых состоит свет, возникали бы столкновения или, по крайней мере, какие-либо возмущения. На основе волновой теории X. Гюйгенс успешно объяснил отражение и преломление света.

Однако против волновой теории существовало одно важное воз­ражение. Как известно, волны обтекают препятствия. А луч света,

распространяясь по прямой, обтекать препятствия не может. Если на пути луча света поместить непрозрачное тело с резкой гранью, то его тень будет иметь резкую границу. Однако это возражение вскоре было снято благодаря опытам итальянского физика и астро­нома Ф.М. Гримальди (1618—1663). При более тонком наблюдении с использованием увеличительных линз обнаруживалось, что на гра­ницах резких теней можно видеть слабые участки освещенности в форме перемежающихся светлых и темных полосок или ореолов. Это явление было названо дифракцией света. Именно открытие дифрак­ции сделало X. Гюйгенса ревностным сторонником волновой теории света. Однако авторитет И. Ньютона был настолько высок, что корпускулярная теория воспринималась безоговорочно несмотря на то, что на ее основе нельзя было объяснить явление дифракции.

Волновая теория света была вновь выдвинута в первые десяти­летия XIX в. английским физиком Т. Юнгом (1773—1829) и фран­цузским естествоиспытателем О. Френелем (1788—1827). Т. Юнг дал объяснение явлению интерференции, т.е. появлению темных полосок при наложении света на свет. Суть ее можно описать с помощью парадоксального утверждения: свет, добавленный к свету, не обяза­тельно дает более сильный свет, но может давать более слабый и да­же темноту. Причина этого заключается в том, что согласно волно­вой теории свет представляет собой не поток материальных частиц, а колебания упругой среды, или волновое движение. При наложении друг на друга цепочек волн в противоположных фазах гребень од­ной волны совмещается со впадиной другой, они уничтожают друг друга, в результате чего появляются темные полосы.

Явления интерференции и дифракции могли быть объяснены только в рамках волновой теории и не поддавались объяснению на основе механистической корпускулярной теории света.

Другой областью физики, где механические модели оказались неадекватными, была область электромагнитных явлений. Эксперименты анг­лийского естествоиспытателя М. Фарадея (1791— 1867) и теоретические работы английского физика Дж. Максвелла (1831—1879) окончательно разру­шили представления ньютоновской физики о дискретном веществе как единственном виде ма­терии и положили начало электромагнитной кар­тине мира.

Явление электромагнетизма открыл датский естествоиспытатель Х.К. Эрстед (1777—1851), который впервые за­метил магнитное действие электрических токов. Продолжая иссле­дования в этом направлении, М. Фарадей обнаружил, что временное изменение в магнитных полях создает электрический ток. Осмысли­вая свои эксперименты, он ввел понятие «силовые линии». М. Фара-

дей, обладавший талантом экспериментатора и богатым воображени­ем, с классической ясностью представлял себе действие электриче­ских сил от точки к точке в их «силовом поле». На основе представ­ления о силовых линиях он предположил, что существует глубокое родство между электричеством и светом, и хотел построить и экспе­риментально обосновать новую оптику, в которой свет рассматривал­ся бы как колебания силового поля. Эта мысль была необычайно смелой для того времени, но достойна исследователя, который счи­тал, что только тот находит великое, кто исследует маловероятное.

М. Фарадей пришел к выводу, что учение об электричестве и оптика взаимосвязаны и образуют единую область. Его работы ста­ли исходным пунктом для исследований Дж. Максвелла, заслуга которого состоит в математической разработке идей М. Фарадея о магнетизме и электричестве. Используя высокоразвитые математические ме­тоды, Максвелл «перевел» модель силовых ли­ний Фарадея в математическую формулу. Поня­тие «поле сил» первоначально вводилось как вспо­могательное математическое понятие. Дж. Макс­велл придал ему физический смысл и стал рас­сматривать поле как самостоятельную физиче­скую реальность: «Электромагнитное поле — это та часть пространства, которая содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии»¹. Обобщив установленные ранее экспериментальным путем законы электромагнитных явлений (Кулона, Ампера, Био-Савара) и открытое М. Фарадеем явление электромагнитной ин­дукции, Максвелл чисто математическим путем вычислил систему дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитное по­ле. Эта система уравнений в пределах своей применимости дает пол­ное описание электромагнитных явлений и представляет собой столь же совершенную и логически стройную теорию, как и система нью­тоновской механики.

Из уравнений следовал важнейший вывод о возможности само­стоятельного существования поля, не «привязанного» к электриче­ским зарядам. В дифференциальных уравнениях Максвелла вихри электрического и магнитного полей являются производными по вре­мени не от своих, а от чужих полей: электрическое — от магнитного и, наоборот, магнитное — от электрического. Поэтому если меняет­ся со временем магнитное поле, то существует и переменное элек­трическое поле, которое в свою очередь ведет к изменению магнит­ного поля. В результате происходит постоянное изменение векторов напряженности электрического и магнитного полей, т.е. возникает

переменное электромагнитное поле, которое уже не привязано к заря­ду, а отрывается от него, самостоятельно существуя и распространяясь в пространстве. Вычисленная Максвеллом скорость распространения электромагнитного поля оказалась равной скорости света. Исходя из этого Максвелл смог заключить, что световые волны представляют собой электромагнитные волны. Единая сущность света и электри­чества, которую М. Фарадей предположил в 1845 г., а Дж. Максвелл теоретически обосновал в 1862 г., была экспериментально подтвер­ждена немецким физиком Г. Герцем (1857—1894) в 1888 г.

В экспериментах Г. Герца в результате ис­кровых разрядов между двумя заряженными ша­рами появлялись электромагнитные волны. Ко­гда они падали на круговой проволочный виток, то создавали в нем токи, о появлении которых свидетельствовали искры, проскакивающие че­рез разрыв. Г. Герц успешно провел отражение этих волн и их интерференцию, т.е. те явления, которые характерны для световых волн, а затем измерил длину электромагнитных волн. Зная частоту колебаний, он смог подсчитать скорость распространения электромагнитных волн, которая оказалась равной скорости света. Это прямо подтвердило гипотезу Дж. Максвелла.

После экспериментов Г. Герца в физике окончательно утверди­лось понятие поля не в качестве вспомогательной математической конструкции, а как объективно существующей физической реаль­ности. Был открыт качественно новый вид материи.

Итак, к концу XIX в. физика пришла к выводу, что материя су­ществует в двух видах: дискретного вещества и непрерывного поля.

Вещество и поле различаются как корпускулярные и волновые сущности: вещество дискретно и состоит из атомов, а поле непре­рывно.

Вещество и поле различаются по своим физическим характери­стикам: частицы вещества обладают массой покоя, а поле — нет.

Вещество и поле различаются по степени проницаемости: веще­ство мало проницаемо, а поле, наоборот, полностью проницаемо.

Скорость распространения поля равна скорости света, а ско­рость движения частиц вещества меньше ее на много порядков.

5.2. Микромир: концепции современной физики

□ Квантово-механическая концепция описания микромира

При переходе к исследованию микромира обнаружилось, что фи­зическая реальность едина и нет пропасти между веществом и полем.

Изучая микрочастицы, ученые столкнулись с парадоксальной с точки зрения классической науки ситуацией: одни и те же объекты обнаруживали как волновые, так и корпускулярные свойства.

Первый шаг в этом направлении был сделан немецким физиком М. Планком (1858—1947). Как известно, в конце XIX в. в физике возникла трудность, получившая название «ультрафиолетовой катастрофы». В соответствии с расчетами по формуле классической электро­динамики интенсивность теплового излучения абсолютно черного тела должна была неограни­ченно возрастать, что явно противоречило опы­ту. В процессе работы по исследованию тепло­вого излучения, которую М. Планк назвал самой тяжелой в своей жизни, он пришел к ошелом­ляющему выводу о том, что в процессах излуче­ния энергия может быть отдана или поглощена

не непрерывно и не в любых количествах, а лишь в известных не­делимых порциях — квантах.

Энергия квантов определяется через число колебаний соответ­ствующего вида излучения и универсальную естественную констан­ту, которую М. Планк ввел в науку под символом й:

E=h\.

Хотя введение понятия кванта и не создало настоящей кванто­вой теории, как неоднократно подчеркивал М. Планк, тем не менее 14 декабря 1900 г., в день опубликования формулы, был заложен ее фундамент. Поэтому в истории физики эта дата считается днем ро­ждения квантовой физики. А поскольку понятие элементарного кван­та действия послужило в дальнейшем основой для понимания всех свойств атомной оболочки и атомного ядра, то 14 декабря 1900 г. следует рассматривать и как день рождения атомной физики, и как начало новой эры естествознания.

Первым физиком, который восторженно принял открытие эле­ментарного кванта действия и творчески развил его, был А. Эйн­штейн. В 1905 г. он перенес гениальную идею квантованного погло­щения и отдачи энергии при тепловом излучении на излучение во­обще и таким образом обосновал новое учение о свете.

Представление о свете как о потоке быстро движущихся кван­тов было чрезвычайно смелым, почти дерзким, в правильность ко­торого вначале поверили немногие. Прежде всего, с расширением квантовой гипотезы до квантовой теории света бьш не согласен сам М. Планк, относивший свою квантовую формулу только к рассмат­риваемым им законам теплового излучения черного тела.

А. Эйнштейн предположил, что речь идет о естественной зако­номерности всеобщего характера. Не оглядываясь на господствую-

щие в оптике взгляды, он применил гипотезу Планка к свету и при­шел к выводу, что следует признать корпускулярную структуру света.

Квантовая теория света, или фотонная теория, А. Эйнштейна утверждала, что свет есть постоянно распространяющееся в миро­вом пространстве волновое явление. И вместе с тем световая энер­гия, чтобы быть физически действенной, концентрируется лишь в определенных местах, поэтому свет имеет прерывистую структуру. Свет может рассматриваться как поток неделимых энергетических зерен, световых квантов, или фотонов. Их энергия определяется эле­ментарным квантом действия Планка и соответствующим числом колебаний. Свет различной окраски состоит из световых квантов различной энергии.

Эйнштейновское представление о световых квантах помогло понять и наглядно представить явление фотоэлектрического эффек­та, суть которого заключается в выбивании электронов из вещества под действием электромагнитных волн. Эксперименты показали, что наличие или отсутствие фотоэффекта определяется не интенсивно­стью падающей волны, а ее частотой. Если предположить, что каж­дый электрон выбивается одним фотоном, то становится ясно сле­дующее: эффект возникает лишь в том случае, если энергия фотона, а следовательно, и его частота, достаточно велика для преодоления сил связи электрона с веществом.

Правильность такого толкования фотоэлектрического эффекта (за эту работу Эйнштейн в 1922 г. получил Нобелевскую премию по физике) через 10 лет получила подтверждение в экспериментах аме­риканского физика Р.Э. Милликена (1868—1953). Открытое в 1923 г. американским физиком А.Х. Комптоном (1892—1962) явление (эф­фект Комптона), которое отмечается при воздействии очень жест­кими рентгеновскими лучами на атомы со свободными электрона­ми, вновь и уже окончательно подтвердило квантовую теорию све­та. Эта теория относится к наиболее экспериментально подтвер­жденным физическим теориям. Но волновая природа света была уже твердо установлена опытами по интерференции и дифракции.

Возникла парадоксальная ситуация: обнаружилось, что свет ве­дет себя не только как волна, но и как поток корпускул. В опытах по дифракции и интерференции проявляются его волновые свойст­ва, а при фотоэффекте — корпускулярные. При этом фотон оказал­ся корпускулой совершенно особого рода. Основная характеристика его дискретности — присущая ему порция энергии — вычислялась через чисто волновую характеристику — частоту.

Как и все великие естественно-научные открытия, новое учение о свете имело фундаментальное теоретико-познавательное значе­ние. Старое положение о непрерывности природных процессов, ко­торое было основательно поколеблено М. Планком, Эйнштейн ис­ключил из гораздо более обширной области физических явлений.

Развивая представления М. Планка и А. Эйнштейна, француз­ский физик Луи де Бройль (1892—1987) в 1924 г. выдвинул идею о волновых свойствах материи. В работе «Свет и материя» он писал о необходимости использовать волновые и корпускулярные представ­ления не только в соответствии с учением А. Эйнштейна в теории света, но также и в теории материи.

Луи де Бройль утверждал, что волновые свойства, наряду с кор­пускулярными, присущи всем видам материи: электронам, прото­нам, атомам, молекулам и даже макроскопическим телам.

Согласно де Бройлю, любому телу с массой т, движущемуся со скоростью v, соответствует волна, длиной

mv

Фактически аналогичная формула была известна раньше, но только применительно к квантам света — фотонам.

В 1926 г. австрийский физик Э. Шрёдингер нашел математиче­ское уравнение, определяющее поведение волн материи, — так на­зываемое уравнение Шрёдингера. Английский физик П. Дирак обоб­щил его.

Смелая мысль Л. де Бройля о всеобщем «дуализме» частицы и волны позволила построить теорию, с помощью которой можно было охватить свойства материи и света в их единстве. Кванты све­та становились при этом особым моментом всеобщего строения микромира.

Волны материи, которые первоначально представлялись как на­глядно-реальные волновые процессы по типу акустических волн, приняли абстрактно-математический облик и получили благодаря немецкому физику М. Борну (1882—1970) символическое значение как «волны вероятности».

Однако гипотеза де Бройля нуждалась в опытном подтвержде­нии. Наиболее убедительным свидетельством существования волно­вых свойств материи стало обнаружение в 1927 г. дифракции элек­тронов американскими физиками К. Дэвиссоном (1881—1958) и Л. Джермером (1896—1971). В дальнейшем были выполнены опыты по обнаружению дифракции нейтронов, атомов и даже молекул. Во всех случаях результаты полностью подтверждали гипотезу де Бройля. Еще более важным было открытие новых элементарных час­тиц, предсказанных на основе системы формул развитой волновой механики.

Признание корпускулярно-волнового дуализма в современной фи­зике стало всеобщим. Любой материальный объект характеризуется наличием как корпускулярных, так и волновых свойств.

Тот факт, что один и тот же объект проявляет себя и как части­ца, и как волна, разрушал традиционные представления.

Форма частицы подразумевает сущность, заключенную в малом объеме или в конечной области пространства, тогда как волна рас­пространяется по огромным пространствам. В квантовой физике эти два описания реальности являются взаимоисключающими, но равно необходимыми для того, чтобы полностью описать рассмат­риваемые явления.

Окончательное формирование квантовой механики как последо­вательной теории произошло благодаря работам немецкого физика В. Гейзенберга, установившего принцип неопределенности, и датско­го физика Н. Бора, сформулировавшего принцип дополнительности, на основе которых описывается поведение микрообъектов.

Суть соотношения неопределенностей В. Гейзенберга заключается в следующем. Допустим, ставится задача определить состояние движущейся частицы. Если бы можно было воспользоваться зако­нами классической механики, то ситуация оказалась бы простой: следовало лишь определить координаты частицы и ее импульс (ко­личество движения). Но законы классической механики для микро­частиц применяться не могут, ибо невозможно не только практиче­ски, но и вообще с одинаковой точностью установить местонахож­дение и количество движения микрочастицы. Только одно из этих двух свойств можно определить точно. В своей книге «Физика атомного ядра» В. Гейзенберг раскрывает содержание соотношения неопределенностей. Он пишет, что никогда нельзя одновременно точно знать оба параметра — координату и скорость. Никогда нель­зя одновременно знать, где находится частица, как быстро и в ка­ком направлении она движется. Если ставится эксперимент, кото­рый точно показывает, где частица находится в данный момент, то движение нарушается в такой степени, что частицу после этого не­возможно найти. И наоборот, при точном измерении скорости нель­зя определить местоположение частицы.

С точки зрения классической механики соотношение неопреде­ленностей представляется абсурдом. Чтобы лучше оценить создав­шееся положение, нужно иметь в виду, что мы, люди, живем в мак­ромире и в принципе не можем построить наглядную модель, кото­рая была бы адекватна микромиру. Соотношение неопределенностей есть выражение невозможности наблюдать микромир, не нарушая его. Любая попытка дать четкую картину микрофизических процес­сов должна опираться либо на корпускулярное, либо на волновое толкование. При корпускулярном описании проводится измерение движения микрочастицы (например, при рассеивании электронов). При экспериментах, направленных на точное определение местона­хождения, напротив, используется волновое объяснение, в частно­сти, при прохождении электронов через тонкие пластинки или при наблюдении отклонения лучей.

Существование элементарного кванта действия служит препят­ствием для установления одновременно и с одинаковой точностью величин, «канонически связанных», т.е. положения и количества дви­жения частицы.

Фундаментальным принципом квантовой механики наряду с со­отношением неопределенностей является принцип дополнительности, которому Н. Бор дал следующую формулировку: «Понятия частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг дру­гу, они являются дополняющими картинами происходящего»¹.

Противоречия корпускулярно-волновых свойств микрообъектов являются результатом неконтролируемого взаимодействия микрообъ­ектов и макроприборов. Имеется два класса приборов: в одних кван­товые объекты ведут себя как волны, в других — как частицы. В экс­периментах мы наблюдаем не реальность как таковую, а лишь кванто­вое явление, включающее результат взаимодействия прибора с мик­рообъектом. М. Борн образно заметил, что волны и частицы — это «проекции» физической реальности на экспериментальную ситуацию. Ученый, исследующий микромир, превращается, таким обра­зом, из наблюдателя в действующее лицо, поскольку физическая ре­альность зависит от прибора, т.е. в конечном счете от произвола на­блюдателя. Поэтому Н. Бор считал, что физик познает не саму реаль­ность, а лишь собственный контакт с ней.

Специфической чертой квантовой механики является вероятно­стный характер предсказаний поведения микрообъектов, которое описывается с помощью волновой функции Э. Шрёдингера. Волно­вая функция определяет параметры будущего состояния микрообъек­та с той или иной степенью вероятности. Это означает, что при про­ведении одинаковых опытов с одинаковыми объектами каждый раз будут получаться разные результаты. Однако некоторые значения будут более вероятными, чем другие, т.е. будет известно лишь веро­ятностное распределение значений.

После того, как были сформулированы основные принципы и уравнения квантовой механики, физики-теоретики в их понимании фундаментальных основ квантовой теории разделились на сторон­ников Н. Бора и А. Эйнштейна. Возникновение этих групп харак­теризовало глубокий кризис в понимании физической реальности.

С учетом факторов неопределенности, дополнительности и ве­роятности Н. Бор дал так называемую «копенгагенскую» интерпре­тацию сути квантовой теории: «Раньше было принято считать, что физика описывает Вселенную. Теперь мы знаем, что физика описы­вает лишь то, что мы можем сказать о Вселенной»².

¹ Цит. по: Герник Ф. Пионеры атомного века. — М.: Прогресс, 1974. — С. 267.

² Цит. по: Уилсон Р.А. Квантовая психология: Как работа Вашего мозга програм­
мирует Вас и Ваш мир / Пер. с англ. под ред Я. Невстуева. — Киев: Янус, 2000. —
С. 81.

Позицию Н. Бора разделяли В. Гейзенберг, М. Борн, В. Паули (1900—1958) и ряд других менее известных физиков. Сторонники копенгагенской интерпретации квантовой механики не признавали причинность, или детерминизм, в микромире и считали, что в ос­нове физической реальности лежит фундаментальная неопределен­ность — индетерминизм.

Представителям копенгагенской школы резко возражали А. Эйнштейн, Х.А. Лоренц (1853-1928), М. Планк, М. Лауэ (1879-1960), П. Ланжевен (1872—1946) и др. А. Эйнштейн писал по этому поводу М. Борну: «В наших научных взглядах мы развились в антиподы. Ты веришь в играющего в кости Бога, а я — в полную закономер­ность объективно сущего... В чем я твердо убежден, так это в том, что в конце концов остановятся на теории, в которой закономерно связанными будут не вероятности, но факты»¹. Он выступал против принципа неопределенности, за детерминизм, против той роли, ко­торую в квантовой механике отводят акту наблюдения. Дальнейшее развитие физики показало правоту Эйнштейна, который считал, что квантовая теория в существующем виде просто является неза­конченной: то, что физики пока не могут избавиться от неопреде­ленности, свидетельствует не об ограниченности научного метода, как утверждал Н. Бор, а лишь о незавершенности квантовой меха­ники. Эйнштейн приводил все новые и новые аргументы в под­тверждение своей точки зрения.

Наиболее известен так называемый парадокс Эйнштейна—По­дольского— Розена, или ЭПР-парадокс, при помощи которого они хотели доказать незавершенность квантовой механики. Парадокс представляет собой мысленный эксперимент: что случится, если состоящая из двух протонов частица распадется так, что протоны разлетятся в противоположные стороны? Из-за общности происхо­ждения их свойства связаны или, как говорят физики, коррелиру­ют друг с другом. По закону сохранения импульса, если один про­тон полетит вверх, то второй — обязательно вниз. Измерив импульс одного протона, мы обязательно узнаем импульс другого, даже если он улетел на другой конец Вселенной. Между частицами существует нелокальная связь, которую Эйнштейн назвал «действием при­зраков на расстоянии», при котором каждая частица в каждый лю­бой момент времени знает, где находится другая и что с ней проис­ходит.

ЭПР-парадокс несовместим с неопределенностью, постулируе­мой в квантовой механике. Эйнштейн считал, что есть какие-то скрытые параметры, которые не учтены. Вопросы «Существует ли детерминизм и причинность в области микромира?», «Полна ли квантовая механика?», «Существуют ли скрытые параметры, кото-

¹ Цит. по: Вейник А.И. Термодинамика. — Минск: Высшая школа, 1968. — С. 435.

рые она не учитывает?» были предметом дискуссий физиков более полувека и нашли свое разрешение на теоретическом уровне только в конце XX в.

В 1964 г. ирландский физик Дж.С. Белл (1928—1990) обосновал положение, согласно которому квантовая механика предсказывает более сильную корреляцию между взаимно связанными частицами, чем та, о которой говорил Эйнштейн.

Теорема Белла утверждает: если некоторая объективная Вселен­ная существует и если уравнения квантовой механики структурно подобны этой Вселенной, то между двумя частицами, когда-либо входившими в контакт, существует некоторый вид нелокальной свя­зи¹. Суть теоремы Белла заключается в том, что не существует изо­лированных систем: каждая частица Вселенной находится в «мгно­венной» связи со всеми остальными частицами. Вся система, даже если ее части разделены огромными расстояниями и между ними отсутствуют сигналы, поля, механические силы, энергия и т.д., функционирует как единая система.

В середине 1980-х гг. А. Аспект (Парижский университет) про­верил эту связь экспериментально, изучая поляризацию пар фото­нов, испускаемых одним источником в направлении изолирован­ных детекторов. При сравнении результатов двух серий измерений между ними обнаружилась согласованность. С точки зрения из­вестного физика Д. Бома, эксперименты А. Аспекта подтвердили теорему Белла и поддержали позиции нелокальных скрытых пере­менных, существование которых предположил А. Эйнштейн. В трактовке квантовой механики Д. Бомом нет неопределенности ко­ординат частицы и ее импульса.

Учеными было высказано предположение, что связь осуществ­ляется через передачу информации, носителями которой выступают особые поля.

□ Волновая генетика

Открытия, сделанные в квантовой механике, оказали плодо­творное воздействие не только на развитие физики, но и на другие области естествознания, прежде всего на биологию, в рамках которой была разработана концепция волновой, или квантовой, генетики.

Когда в 1962 г. Дж. Уотсон (р. 1928), М. Ушкинс (р. 1916) и Ф. Крик (1916—2004) получили Нобелевскую премию за установ­ление структуры молекулы ДНК и ее роли в передаче наследст­венной информации, то генетикам показалось, что основные про­блемы передачи генетической информации близки к разрешению. Вся информация записана в генах, расположенных в клеточных

хромосомах, совокупность которых определяет программу развития организма. Ставилась задача расшифровки генетического кода, под которым понималась последовательность нуклеотидов в ДНК.

Однако действительность не оправдала ожиданий ученых. После открытия структуры ДНК и детального рассмотрения участия этой молекулы в процессах передачи наследственных признаков основ­ная проблема феномена жизни — механизмы ее воспроизведения — осталась, по сути, нераскрытой. Расшифровка генетического кода дала возможность объяснить синтез белков. Классические генетики исходили из того, что молекулы ДНК имеют вещественную природу и работают как вещество, представляя собой вещественную матри­цу, на которую записан вещественный генетический код. В соответ­ствии с ним нарабатывается плотский, или материальный, орга­низм. Но вопрос о том, каким образом в хромосомах кодируется пространственно-временная структура организма, только на основе знания последовательности нуклеотидов решить нельзя. Советски­ми учеными А.А. Любищевым (1890—1972) и А.Г. Гурвичем (1874— 1954)еще в 1920—1930-е гг. была высказана мысль о том, что рас­смотрения генов как чисто вещественных структур явно недоста­точно для теоретического описания феномена жизни.

А.А. Любищев в труде «О природе наследственных факторов», изданном в 1925 г., писал о том, что гены не являются ни частями хромосомы, ни молекулами автокаталитических ферментов, ни ради­калами, ни физической структурой. Он считал, что нужно признать ген как потенциальную субстанцию. Лучшему пониманию идей А.А. Любищева способствует аналогия генетической молекулы с нот­ной записью. Нотная запись сама по себе вещественна и представля­ет собой значки на бумаге, но реализуются эти значки не в вещест­венном виде, а в звуках, которые являются акустическими волнами.

Развивая эти идеи, А.Г. Гурвич утверждал, что в генетике «необ­ходимо ввести понятие биологического поля, свойства которого формально заимствованы из физических представлений»¹. Главная идея А. Г. Гурвича заключалась в том, что развитие эмбриона проис­ходит по заранее установленной программе и принимает те формы, которые уже имеются в его поле. Он первый объяснил поведение компонентов развивающегося организма как целого на основе поле­вых представлений. Именно в поле заключены формы, принимаемые эмбрионом в процессе развития. Виртуальную форму, определяю­щую результат процесса развития в любой его момент, Гурвич назвал динамически преформированной формой и тем самым ввел в перво­начальную формулировку поля элемент телеологии. Разработав тео­рию клеточного поля, он распространил идею поля как принципа,

¹ См.: Уилсон РА. Указ. соч. С. 181.

¹ Гурвич А.Г. Теория биологического поля. — М.: Советская наука, 1944. — С. 28.

регулирующего и координирующего эмбриональный процесс, также и на функционирование организмов. Обосновав общую идею поля, Гурвич сформулировал ее как универсальный принцип биологии. Им было открыто биофотонное излучение клетки.

Идеи А.А. Любищева и А. Г. Гурвича являются выдающимся ин­теллектуальным достижением, опередившим свое время. Суть их идей заключена в триаде:

1) гены дуалистичны — они вещество и поле одновременно;

2) полевые элементы хромосом размечают пространство-время
организма и тем самым управляют развитием биосистем;

3) гены обладают эстетически-образной и речевой регулятор-
ными функциями.

Эти идеи оставались недооцененными вплоть до появления ра­бот В.П. Казначеева (р. 1924) в 1960-е гг., в которых эксперимен­тально были подтверждены предвидения ученых о наличии полевых форм передачи информации у живых организмов. Научное направ­ление в биологии, представленное школой В.П. Казначеева, сфор­мировалось как результат многочисленных фундаментальных иссле­дований по зеркальному цитопатическому эффекту, выражавшемуся в том, что живые клетки, разделенные кварцевым стеклом, которое не пропускает ни единой молекулы вещества, тем не менее обмени­ваются информацией. После работ В.П. Казначеева существование волнового знакового канала между клетками биосистем уже не вы­зывало сомнения.

Одновременно с экспериментами В.П. Казначеева китайский ис­следователь Цзян Каньчжен провел серию супергенетических экспе­риментов, которые перекликались с предвидением А.А. Любищева и А.Г. Гурвича. Отличие работ Цзян Каньчжена в том, что он про­водил эксперименты не на клеточном уровне, а на уровне организ­ма. Он исходил из того, что ДНК как генетический материал суще­ствует в двух формах: пассивной (в виде ДНК) и активной (в виде электромагнитного поля). Первая форма сохраняет генетический код и обеспечивает стабильность организма, а вторая в состоянии его изменить путем воздействия на него биоэлектрическими сигна­лами. Китайский ученый сконструировал аппаратуру, которая была способна считывать, передавать на расстояние и вводить волновые супергенетические сигналы с биосистемы-донора в организм-ак­цептор. В результате он вывел немыслимые гибриды, «запрещен­ные» официальной генетикой, которая оперирует понятиями только вещественных генов. Так появились на свет животные и раститель­ные химеры: куро-утки, кукуруза, из початков которой росли пше­ничные колосья, и т.д.

Выдающийся экспериментатор Цзян Каньчжен интуитивно по­нимал некоторые стороны фактически созданной им эксперимен-

тальной волновой генетики и считал, что носителями полевой ге-ноинформации являются сверхвысокочастотные электромагнитные излучения, используемые в его аппаратуре, однако теоретического обоснования этому факту дать не смог.

После экспериментальных работ В.П. Казначеева и Цзян Кань­чжена, которые не могли быть объяснены в терминах традицион­ной генетики, возникла настоятельная необходимость в теоретиче­ском развитии модели волнового генома, в физико-математическом и теоретико-биологическом осмыслении работы хромосомы как совокупности молекул ДНК в полевом и вещественном измерении.

Первые попытки решить эту проблему предприняли российские ученые П.П. Гаряев, А.А. Березин и А.А. Васильев, которыми были поставлены следующие задачи:

• показать возможность дуалистической трактовки работы ге­
нома клетки на уровнях вещества и поля в рамках физико-
математических моделей;

• показать возможность обычных и «аномальных» режимов ра­
боты генома клетки с использованием фантомно-волновых
образно-знаковых матриц;

• найти экспериментальные доказательства правильности пред­
лагаемой теории.

В рамках теории, разработанной ими и получившей название волновой генетики, было выдвинуто, обосновано и эксперименталь­но подтверждено несколько основных положений, которые значи­тельно расширили понимание феномена жизни и процессов, про­исходящих в живой материи.

> Гены — не только вещественные структуры, но и волновые мат­рицы, по которым, как по шаблонам, строится организм.

Взаимная передача информации между клетками, помогающая формироваться организму как целостной системе и корректировать слаженную работу всех систем организма, происходит не только химическим путем — синтезом разнообразных ферментов и других «сигнальных» веществ. П.П. Гаряев предположил, а затем экспери­ментально доказал, что клетки, их хромосомы, ДНК, белки переда­ют информацию с помощью физических полей посредством элек­тромагнитных и акустических волн и трехмерных голограмм, чи­таемых лазерным хромосомным светом и излучающих этот свет, который трансформируется в радиоволны и передает наследствен­ную информацию в пространстве организма. Геном высших орга­низмов рассматривается как биоголографический компьютер, фор­мирующий пространственно-временную структуру биосистем. В качестве носителей полевых матриц, по которым строится орга­низм, выступают волновые фронты, задаваемые геноголограммами, и так называемые солитоны на ДНК — особый вид акустических и электромагнитных полей, продуцируемых генетическим аппаратом

самого организма и способных к посредническим функциям по об­мену стратегической регуляторной информацией между клетками, тканями и органами биосистемы.

В волновой генетике были подтверждены идеи Гурвича—Люби-щева—Казначеева—Цзян Каньчжена о полевом уровне геноинфор-мации. Иными словами, дуализм совмещающего единства «волна — частица» или «вещество — поле», принятый в квантовой электро­динамике, оказался применимым и в биологии, что и предсказыва­ли в свое время А. Г. Гурвич и А.А. Любищев. Ген-вещество и ген-поле не исключают друг друга, но взаимно дополняют.

Живая материя состоит из неживых атомов и элементарных час­тиц, которые совмещают в себе фундаментальные свойства волны и частицы, но эти же свойства используются биосистемами в качестве основы для волнового энергоинформационного обмена. Иначе гово­ря, молекулы ДНК излучают информационно-энергетическое поле, в котором закодирован весь организм, его физическое тело и душа.

> Гены — это не только то, что составляет так называемый генети­ческий код, но и вся остальная, ббльшая часть ДНК, которая раньше считалась бессмысленной.

Но именно эта ббльшая часть хромосом анализируется в рамках волновой генетики как главная «интеллектуальная» структура всех клеток организма: «Некодирующие регионы ДНК — это не просто junk (мусор), а структуры, предназначенные для каких-то целей с неясным пока назначением... некодирующие последовательности ДНК (а это 95—99% генома) являются стратегическим информаци­онным содержанием хромосом... Эволюция биосистем создала гене­тические тексты и геном — биокомпьютер как квазиразумный «субъект», на своем уровне «читающий и понимающий» эти «тек­сты»¹. Этот компонент генома, который получил название суперге-ноконтинуума, т.е. сверхгена, обеспечивает развитие и жизнь челове­ка, животных, растений, а также программирует естественное умира­ние. Между генами и супергенами нет резкой и непреодолимой гра­ницы, они действуют как единое целое. Гены дают материальные «ре­плики» в виде РНК и белков, а супергены преобразуют внутренние и внешние поля, формируя из них волновые структуры, в которых кодируется информация. Генетическая общность людей, животных, растений, простейших состоит в том, что на уровне белков эти ва­рианты практически не отличаются или слабо отличаются у всех организмов и кодируются генами, составляющими всего несколько процентов общей длины хромосомы. Но они отличаются на уровне «мусорной части» хромосом, составляющей почти всю их длину.

¹ Гаряев П.П., Тертышный Г.Г., Леонова Е.А., Мологин А.В. Волновые биокомпью­терные функции ДНК // Сознание и физическая реальность. — Т. 5. — 2001. — №6. - С. 31.

> Собственной информации хромосом недостаточно для развития
организма. Хромосомы по некоторому измерению обращены в физиче­
ский вакуум, который дает главную часть информации для развития
эмбриона. Генетический аппарат способен сам и с помощью вакуума
генерировать командные волновые структуры типа голограмм, обеспе­
чивающих развитие организма.

Значительными для более глубокого понимания жизни как кос-мопланетарного явления стали экспериментальные данные, полу­ченные П.П. Гаряевым, которые доказали недостаточность генома клетки для полноценного воспроизведения программы развития организма в условиях биополевой информационной изоляции. Эксперимент состоял в том, что были построены две камеры и в каждой из них созданы все природные условия для развития голо­вастиков из лягушачьей икры — необходимый состав воздуха и во­ды, температура, режим освещения, прудовой ил и т.д. Различие заключалось лишь в том, что одна камера была сделана из перма-лоя — материала, не пропускающего электромагнитные волны, а вторая — из обычного металла, который не является помехой для волн. В каждую камеру было помещено равное количество оплодо­творенной лягушачьей икры. В результате эксперимента в первой камере появились сплошь уроды, которые через несколько дней погибли, во второй камере в положенный срок вылупились и нор­мально развились головастики, превратившиеся потом в лягушек.

Ясно, что для нормального развития головастиков в первой ка­мере не хватало какого-то фактора, несущего недостающую часть наследственной информации, без которой организм не может быть «собран» в полном виде. А так как стенки первой камеры отсекали головастиков только от излучений, которые свободно пронизывали вторую камеру, то естественно предположить, что фильтрация или искажение естественного информационного фона вызывает уродст­во и гибель эмбрионов. Это означает, что коммуникации генетиче­ских структур с внешним информационным полем, безусловно, не­обходимы для гармоничного развития организма. Внешние (экзо-биологические) полевые сигналы несут дополнительную, а может быть, и главную информацию в геноконтинуум Земли.

> Тексты ДНК и голограммы хромосомного континуума могут чи­
таться в многомерном пространственно-временном и семантическом
вариантах. Существуют волновые языки генома клеток, сходные с че­
ловеческими.

Особого внимания в волновой генетике заслуживает обоснование единства фрактальной (повторяющей самое себя в разных масшта­бах) структуры последовательностей ДНК и человеческой речи. То, что четыре буквы генетического алфавита (аденин, гуанин, цитозин, тимин) в ДНК-текстах образуют фрактальные структуры, было обна­ружено еще в 1990 г. и не вызвало особой реакции. Однако открытие геноподобных фрактальных структур в человеческой речи явилось

неожиданностью и для генетиков и для лингвистов. Стало очевидно, что принятое и уже привычное сравнение ДНК с текстами, носившее метафорический характер, после открытия единства фрактальной структуры ДНК и человеческой речи вполне оправдано. _{

Совместно с сотрудниками Математического института РАН группа П.П. Гаряева разработала теорию фрактального представле­ния естественных (человеческих) и генетических языков. Практиче­ская проверка этой теории в области «речевых» характеристик ДНК показала стратегически верную ориентацию исследований.

Так же, как и в экспериментах Цзян Каньчжена, группой П.П. Га­ряева был получен эффект трансляции и введения волновой супер­генетической информации от донора к акцептору. Были созданы устройства — генераторы солитонных полей, в которые можно бы­ло вводить речевые алгоритмы, например, на русском или англий­ском языке. Такие речевые структуры превращались в солитонные модулированные поля — аналоги тех, которыми оперируют клетки в процессе волновых коммуникаций. Организм и его генетический аппарат «узнают» такие «волновые фразы» как свои собственные и поступают в соответствии с введенными человеком извне речевыми рекомендациями. Удалось, например, создавая определенные рече­вые, вербальные алгоритмы, восстановить радиационно поврежден­ные семена пшеницы и ячменя. Причем семена растений «понима­ли» эту речь вне зависимости от того, на каком языке она произно­силась — русском, немецком или английском. Эксперименты были проведены на десятках тысяч клеток.

Для проверки эффективности волновых программ, стимулирую­щих рост, в контрольных экспериментах в геном растений через ге­нераторы вводили бессмысленные речевые псевдокоды, которые ни­как не влияли на обмен веществ растений, в то время как смысло­вое вхождение в биополевые семантические пласты генома расте­ний давало эффект резкого, но кратковременного ускорения роста.

Распознавание геномами растений человеческой речи (вне зави­симости от языка) полностью соответствует положению лингвисти­ческой генетики о существовании праязыка генома биосистем на ранних этапах их эволюции, общего для всех организмов и сохра­нившегося в общей структуре генофонда Земли. В этом проявляет­ся соответствие идеям классика структурной лингвистики амери­канского языковеда АН. Хомского (р. 1928), считавшего, что все естественные языки имеют глубинную врожденную универсальную грамматику, инвариантную для всех людей и, вероятно, для их соб­ственных супергенетических структур.

□ Атомистическая концепция строения материи

Атомистическая гипотеза строения материи, выдвинутая в ан­тичности Демокритом (ок. 470(469) — ок. 371 до н. э.), была возро-

ждена в XVIII в. английским химиком Дж. Дальтоном (1766—1844), который принял атомный вес водорода за единицу и сопоставил с ним атомные веса других газов. Благодаря трудам Дж. Дальтона стали изучаться физико-химические свойства атома. В XIX в. Д.И. Менде­леев построил периодическую систему химических элементов, ос­нованную на их атомном весе.

В физику представления об атомах как о последних неделимых структурных элементах материи пришли из химии. Собственно фи­зические исследования атома начинаются в конце XIX в., когда французским физиком А.А. Беккерелем (1852—1908) было открыто явление радиоактивности, которое заключалось в самопроизволь­ном превращении атомов одних элементов в атомы других. Изуче­ние радиоактивности было продолжено французскими физиками Пьером Кюри (1859—1906) и Марией Склодовской-Кюри (1867—1934), открывшими новые радиоактивные элементы полоний и радий.

История исследования строения атома началась в 1897 г. благо­даря открытию английским физиком Дж. Томсоном (1856—1940) электрона — отрицательно заряженной частицы, входящей в состав всех атомов. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а атом в целом электронейтрален, то было сделано предположение о наличии помимо электрона и положительно заряженной частицы. Масса электрона составила по расчетам 1/1836 массы положительно заряженной частицы — протона.

Исходя из огромной по сравнению с электроном массы положи­тельно заряженной частицы, английский физик У. Томсон (1824— 1907) предложил в 1902 г. первую модель атома: положительный за­ряд распределен в достаточно большой области, а электроны вкрап­лены в него, как «изюм в пудинг». Эта идея была развита Дж. Том­соном. Модель атома Дж. Томсона, над которой он работал почти 15 лет, не устояла перед опытной проверкой.

В 1908 г. Э. Марсден (1889-1970) и X. Гейгер (1882-1945), со­трудники Э. Резерфорда, провели опыты по прохождению альфа-частиц через тонкие пластинки из золота и других металлов и обна­ружили, что почти все они проходят через пластинку, будто нет препятствия, и только 1/10 000 из них испытывает сильное откло­нение. По модели Дж. Томсона это объяснить не удавалось, но Э. Резерфорд нашел выход. Он обратил внимание на то, что боль­шая часть частиц отклоняется на малый угол, а малая — до 150°. Резерфорд пришел к выводу, что они ударяются о какое-то препят­ствие и этим препятствием является ядро атома — положительно заряженная микрочастица, размер которой (10~¹³ см) очень мал по сравнению с размерами атома (10~⁸ см), но в ней почти полностью сосредоточена масса атома.

Модель атома, предложенная Э. Резерфордом в 1911 г., напо­минала Солнечную систему: в центре находится атомное ядро, а вокруг него по своим орбитам движутся электроны.

Ядро имеет положительный заряд, а электроны — отрицатель­ный. Вместо сил тяготения, действующих в Солнечной системе, в атоме действуют электрические силы. Электрический заряд ядра ато­ма, численно равный порядковому номеру в Периодической системе элементов Д.И. Менделеева, уравновешивается суммой зарядов элек­тронов, благодаря чему атом электронейтрален.

Неразрешимое противоречие этой модели заключалось в том, что электроны, чтобы не потерять устойчивость, должны двигаться вокруг ядра. В то же время они, согласно законам электродинами­ки, обязательно должны излучать электромагнитную энергию. Но в таком случае электроны очень быстро потеряли бы всю свою энер­гию и упали на ядро.

Следующее противоречие связано с тем, что спектр излучения электрона должен быть непрерывным, так как электрон, приближа­ясь к ядру, менял бы свою частоту. Опыт же показывает, что атомы излучают свет только определенных частот. Именно поэтому атом­ные спектры называют линейчатыми. Другими словами, планетар­ная модель атома Резерфорда оказалась несовместимой с электро­динамикой Дж. Максвелла.

В 1913 г. великий датский физик Н. Бор применил принцип квантования при решении вопроса о строении атома и характерис­тике атомных спектров.

Модель атома Н. Бора базировалась на планетарной модели Э. Резерфорда и разработанной им самим квантовой теории строе­ния атома. Н. Бор выдвинул гипотезу строения атома, основанную на двух постулатах, совершенно несовместимых с классической физикой:

1) в каждом атоме существует несколько стационарных состоя­
ний (говоря языком планетарной модели, несколько стационарных
орбит) электронов, двигаясь по которым электрон может существо­
вать, не излучая;

2) при переходе электрона из одного стационарного состояния в
другое атом излучает или поглощает порцию энергии.

Постулаты Бора объясняют устойчивость атомов: находящиеся в стационарных состояниях электроны без внешней на то причины не излучают электромагнитной энергии. Становится понятным, по­чему атомы химических элементов не испускают излучения, если их состояние не изменяется. Объясняются и линейчатые спектры ато­мов: каждой линии спектра соответствует переход электрона из од­ного состояния в другое.

Теория атома Н. Бора позволяла дать точное описание атома водорода, состоящего из одного протона и одного электрона, доста­точно хорошо согласующееся с экспериментальными данными. Дальнейшее же распространение теории на многоэлектронные ато­мы и молекулы столкнулось с непреодолимыми трудностями. Чем

подробнее теоретики пытались описать движение электронов в ато­ме, определить их орбиты, тем бблыиим было расхождение теоре­тических результатов с экспериментальными данными. Как стало ясно в ходе развития квантовой теории, эти расхождения главным образом были обусловлены волновыми свойствами электрона. Дли­на волны движущегося в атоме электрона равна примерно 10~⁸ см, т.е. она того же порядка, что и размер атома. Движение частицы, принадлежащей какой-либо системе, можно с достаточной степе­нью точности описывать как механическое движение материальной точки по определенной орбите (траектории) только в том случае, ес­ли длина волны частицы пренебрежимо мала по сравнению с разме­рами системы. Другими словами, следует учитывать, что электрон — не точка и не твердый шарик, он обладает внутренней структурой, которая может изменяться в зависимости от его состояния. При этом детали внутренней структуры электрона неизвестны.

Следовательно, точно описать структуру атома на основании представления об орбитах точечных электронов принципиально невозможно, поскольку таких орбит в действительности не сущест­вует. Вследствие своей волновой природы электроны и их заряды как бы размазаны по атому, однако не равномерно, а таким обра­зом, что в некоторых точках усредненная по времени электронная плотность заряда больше, а в других — меньше.

Описание распределения плотности электронного заряда было дано в квантовой механике: плотность электронного заряда в опре­деленных точках дает максимум. Кривая, связывающая точки мак­симальной плотности, формально называется орбитой электрона. Траектории, вычисленные в теории Н. Бора для одноэлектронного атома водорода, совпали с кривыми максимальной средней плотно­сти заряда, что и обусловило согласованность с экспериментальны­ми данными.

Теория Н. Бора представляет собой как бы пограничную полосу первого этапа развития современной физики. Это последнее усилие описать структуру атома на основе законов классической физики, дополняя ее лишь небольшим числом новых предположений. Вве­денные Бором постулаты ясно показали, что классическая физика не в состоянии объяснить даже самые простые опыты, связанные со структурой атома. Постулаты, чужеродные классической физике, нарушили ее цельность, но позволили объяснить лишь небольшой круг экспериментальных данных.

Создавалось впечатление, что постулаты Н. Бора отражают ка­кие-то новые, неизвестные свойства материи, но лишь частично. Ответы на эти вопросы были получены в результате развития кван­товой механики. Выяснилось, что атомную модель Н. Бора не сле­дует понимать буквально, как это было вначале. Процессы в атоме в принципе нельзя наглядно представить в виде механических мо-

дел ей по аналогии с событиями в макромире. Даже понятия про­странства и времени в существующей в макромире форме оказались неподходящими для описания микрофизических явлений. Атом физиков-теоретиков все больше и больше становился абстрактно-ненаблюдаемой суммой уравнений.

□ Элементарные частицы. Кварковая модель атома

Дальнейшее развитие идей атомизма было связано с исследова­нием элементарных частиц.

Частицы, входящие в состав прежде «неделимого» атома, называют элементарными.

К ним относят и те частицы, которые получены эксперимент тально на мощных ускорителях. В настоящее время открыто более 350 микрочастиц.

Термин «элементарная частица» первоначально означал про­стейшие, далее ни на что не разложимые частицы, лежащие в осно­ве любых материальных образований. Позднее физики осознали всю условность термина «элементарный» применительно к микро­объектам. Сейчас уже не подлежит сомнению, что частицы имеют ту или иную структуру, но тем не менее исторически сложившееся название продолжает существовать.

Основными характеристиками элементарных частиц являются масса, электрический заряд, среднее время жизни, спин и кванто­вые числа.

Массу покоя элемен

Поиск по сайту: