ibol'shij vklad v to, chto my nyne ponimaem pod slovom "materiya". Nakonec, v estestvoznanii XIX stoletiya vazhnuyu rol' igral drugoj dualizm, a imenno dualizm mezhdu materiej i siloj, ili, kak togda govorili, mezhdu siloj i veshchestvom. Na materiyu mogut vozdejstvovat' sily, i materiya mozhet vyzyvat' poyavlenie sil. Materiya, naprimer, porozhdaet silu tyagoteniya, i eta sila v svoyu ochered' vozdejstvuet na nee. Sila i veshchestvo yavlyayutsya, sledovatel'no, dvumya yasno razlichimymi aspektami fizicheskogo mira. Poskol'ku sily yavlyayutsya takzhe formiruyushchimi silami, eto razlichie snova priblizhaetsya k aristotelevskomu razlicheniyu materii i formy. S drugoj storony, imenno v svyazi s novejshim razvitiem sovremennoj fiziki, eto razlichie sily i veshchestva polnost'yu ischezaet, tak kak vsyakoe silovoe pole soderzhit energiyu i v etom otnoshenii predstavlyaet soboj takzhe chast' materii. Kazhdomu silovomu polyu sootvetstvuet opredelennyj vid elementarnyh chastic. CHasticy i silovye polya -- tol'ko dve razlichnye formy proyavleniya odnoj i toj zhe real'nosti. Kogda estestvoznanie izuchaet problemu materii, emu sleduet prezhde vsego issledovat' formy materii. Beskonechnoe mnogoobrazie i izmenchivost' form materii dolzhny stat' neposredstvennym ob®ektom issledovaniya; usiliya dolzhny byt' napravleny na to, chtoby najti zakony prirody, edinye principy, kotorye mogli by sluzhit' napravlyayushchej nit'yu v etom beskonechnom pole issledovanij. Poetomu tochnoe estestvoznanie i osobenno fizika uzhe davno koncentriruyut svoi interesy na analize stroeniya materii i sil, kotorye eto stroenie opredelyayut. So vremeni Galileya osnovnym metodom estestvoznaniya yavlyaetsya eksperiment. |tot metod sdelal vozmozhnym perejti ot obshchih issledovanij prirody k specificheskim issledovaniyam, vydelit' harakteristicheskie processy v prirode, na osnove kotoryh ee zakony mozhno izuchat' bolee neposredstvenno, chem v obshchih issledovaniyah. To est' pri izuchenii stroeniya materii neobhodimo proizvesti nad nej eksperimenty. Neobhodimo postavit' materiyu v neobychnye usloviya, chtoby izuchit' ee prevrashcheniya v etih obstoyatel'stvah, nadeyas' poznat' tem samym opredelennye fundamental'nye cherty materii, kotorye sohranyayutsya pri vseh ee vidimyh izmeneniyah. So vremeni formirovaniya estestvoznaniya novogo vremeni eto bylo odnoj iz vazhnejshih celej himii, v kotoroj dovol'no rano prishli k ponyatiyu himicheskogo elementa. Substanciya, kotoraya ne mogla byt' razlozhena ili rasshcheplena dalee kakimi ugodno sredstvami, imevshimisya v to vremya v rasporyazhenii himikov: kipyacheniem, szhiganiem, rastvoreniem, smeshivaniem s drugimi veshchestvami, byla nazvana "elementom". Vvedenie etogo ponyatiya bylo pervym i isklyuchitel'no vazhnym shagom v ponimanii stroeniya materii. Mnogoobrazie imeyushchihsya v prirode veshchestv bylo tem samym svedeno po krajnej mere k sravnitel'no malomu chislu bolee prostyh veshchestv, elementov, i blagodarya etomu sredi razlichnyh yavlenij himii byl ustanovlen opredelennyj poryadok. Slovo "atom" poetomu i bylo primeneno k mel'chajshej edinice materii, kotoraya vhodit v sostav himicheskogo elementa, i samaya malen'kaya chastica himicheskogo soedineniya mogla byt' naglyadno predstavlena v vide malen'koj gruppy razlichnyh atomov. Mel'chajshej chasticej elementa zheleza okazalsya, naprimer, atom zheleza, i naimen'shaya chastica vody, tak nazyvaemaya molekula vody, okazalas' sostoyashchej iz atoma kisloroda i dvuh atomov vodoroda. Sleduyushchim i pochti stol' zhe vazhnym shagom bylo otkrytie sohraneniya massy v himicheskih processah. Esli, naprimer, szhigaetsya element ugleroda i pri etom obrazuetsya dvuokis' ugleroda, to massa dvuokisi ugleroda ravna summe mass ugleroda i kisloroda do togo, kak process nachalsya. |to otkrytie pridalo ponyatiyu materii prezhde vsego kolichestvennyj smysl. Nezavisimo ot himicheskih svojstv materiya mogla byt' izmerena ee massoj. V techenie sleduyushchego perioda, glavnym obrazom v XIX stoletii, bylo otkryto bol'shoe chislo novyh himicheskih elementov. V nashe vremya ih chislo pereshagnulo za 100. |to chislo, odnako, sovershenno yasno govorit o tom, chto ponyatie himicheskogo elementa eshche ne privelo nas k tomu punktu, ishodya iz kotorogo mozhno bylo by ponyat' edinstvo materii. Predpolozhenie o tom, chto sushchestvuet ochen' mnogo kachestvenno razlichnyh vidov materii, mezhdu kotorymi net nikakih vnutrennih svyazej, ne bylo udovletvoritel'nym. K nachalu XIX stoletiya byli uzhe najdeny svidetel'stva v pol'zu nalichiya vzaimosvyazi mezhdu razlichnymi himicheskimi elementami. |ti svidetel'stva zaklyuchalis' v tom fakte, chto atomnye vesa mnogih elementov kazalis' celochislenno kratnymi nekotoroj naimen'shej edinice, kotoraya priblizitel'no sootvetstvuet atomnomu vesu vodoroda. Podobie himicheskih svojstv nekotoryh elementov takzhe govorilo v pol'zu sushchestvovaniya etoj vzaimosvyazi. No tol'ko blagodarya primeneniyu sil, kotorye vo mnogo raz sil'nee, chem te, kotorye dejstvuyut v himicheskih processah, mozhno bylo dejstvitel'no ustanovit' svyaz' mezhdu razlichnymi elementami i podojti blizhe k ponimaniyu edinstva materii. Vnimanie fizikov bylo privlecheno k etim silam v svyazi s otkrytiem radioaktivnogo raspada, osushchestvlennogo Bekkerelem v 1896 godu. V posledovavshih zatem issledovaniyah Kyuri, Rezerforda i drugih prevrashchenie elementov v radioaktivnyh processah bylo pokazano so vsej ochevidnost'yu. Al'fa-chasticy ispuskalis' v etih processah v vide oblomkov atomov s energiej, kotoraya priblizitel'no v million raz bol'she, chem energiya edinichnoj chasticy v himicheskom processe. Sledovatel'no, eti chasticy mogli byt' teper' ispol'zovany v kachestve novogo instrumenta dlya issledovaniya vnutrennego stroeniya atoma. YAdernaya model' atoma, predlozhennaya Rezerfordom v 1911 godu, yavilas' rezul'tatom eksperimentov po rasseyaniyu al'fa-chastic. Vazhnejshej chertoj etoj izvestnoj modeli bylo razdelenie atoma na dve sovershenno razlichnye chasti -- atomnoe yadro i okruzhayushchie atomnoe yadro elektronnye obolochki. Atomnoe yadro zanimaet v centre tol'ko isklyuchitel'no maluyu dolyu vsego prostranstva, kotoroe zanyato atomom, -- radius yadra priblizitel'no v sto tysyach raz men'she radiusa vsego atoma; no ono vse-taki soderzhit pochti vsyu massu atoma. Ego polozhitel'nyj elektricheskij zaryad, yavlyayushchijsya celochislenno kratnym tak nazyvaemomu elementarnomu zaryadu, opredelyaet obshchee chislo okruzhayushchih yadro elektronov, ibo atom kak celoe dolzhen byt' elektricheski nejtralen; on opredelyaet tem samym i formu elektronnyh traektorij. |to razlichie mezhdu atomnym yadrom i elektronnoj obolochkoj srazu dalo soglasovannoe ob®yasnenie tomu faktu, chto v himii imenno himicheskie elementy yavlyayutsya poslednimi edinicami materii i chto dlya prevrashcheniya elementov drug v druga neobhodimy ochen' bol'shie sily. Himicheskie svyazi mezhdu sosednimi atomami ob®yasnyayutsya vzaimodejstviem elektronnyh obolochek, i energii vzaimodejstviya pri etom sravnitel'no maly. |lektron, uskorennyj v razryadnoj trubke potencialom vsego v neskol'ko vol't, obladaet dostatochnoj energiej, chtoby "razryhlit'" elektronnye obolochki i vyzvat' ispuskanie sveta ili razrushit' himicheskuyu svyaz' v molekule. No himicheskoe povedenie atoma, hotya v osnove ego i lezhit povedenie elektronnyh obolochek, opredelyaetsya elektricheskim zaryadom atomnogo yadra. Esli hotyat izmenit' himicheskie svojstva, nuzhno izmenit' samo atomnoe yadro, a eto trebuet energij, kotorye primerno v million raz bol'she, chem te, kotorye imeyut mesto pri himicheskih processah. No yadernaya model' atoma, rassmatrivaemogo kak sistema, v kotoroj vypolnyayutsya zakony n'yutonovskoj mehaniki, ne mozhet ob®yasnit' stabil'nost' atoma. Kak bylo ustanovleno v odnoj iz predydushchih glav, tol'ko primenenie k etoj modeli kvantovoj teorii mozhet ob®yasnit' tot fakt, chto, naprimer, atom ugleroda, posle togo kak on vzaimodejstvoval s drugimi atomami ili izluchil kvant sveta, po-prezhnemu ostaetsya v konechnom schete atomom ugleroda, s toj zhe samoj elektronnoj obolochkoj, kakuyu on imel ranee. |tu stabil'nost' mozhno prosto ob®yasnit' na osnove teh samyh chert kvantovoj teorii, kotorye delayut vozmozhnym ob®ektivnoe opisanie atoma v prostranstve i vo vremeni. |tim putem bylo, sledovatel'no, sozdano pervonachal'noe osnovanie dlya ponimaniya stroeniya materii. Himicheskie i drugie svojstva atomov mozhno bylo ob®yasnit', primenyaya k elektronnym obolochkam matematicheskuyu shemu kvantovoj teorii. Ishodya iz etogo osno- vaniya, dalee mozhno bylo pytat'sya vesti analiz stroeniya materii v dvuh razlichnyh napravleniyah. Mozhno bylo ili izuchat' vzaimodejstvie atomov, ih otnoshenie k bolee krupnym edinicam, takim, kak molekuly ili kristally ili biologicheskie ob®ekty, ili zhe mozhno bylo pytat'sya, issleduya atomnoe yadro i ego sostavnye chasti, prodvinut'sya do togo punkta, v kotorom stalo by ponyatnym edinstvo materii. Fizicheskie issledovaniya forsirovanno razvivalis' v proshedshie desyatiletiya v oboih napravleniyah. Posleduyushchee izlozhenie i budet posvyashcheno vyyasneniyu roli kvantovoj teorii v obeih etih oblastyah. Sily mezhdu sosednimi atomami yavlyayutsya v pervuyu ochered' elektricheskimi silami -- rech' idet o prityazhenii protivopolozhnyh zaryadov i ob ottalkivanii mezhdu odnoimennymi; elektrony prityagivayutsya atomnym yadrom i ottalkivayutsya drugimi elektronami. No eti sily dejstvuyut zdes' ne po zakonam n'yutonovskoj mehaniki, a po zakonam kvantovoj mehaniki. |to vedet k dvum razlichnym tipam svyazi mezhdu atomami. Pri odnom tipe svyazi elektron odnogo atoma perehodit k drugomu atomu, -- naprimer dlya togo, chtoby zapolnit' eshche ne sovsem zapolnennuyu elektronnuyu obolochku. V etom sluchae oba atoma okazyvayutsya v konechnom schete elektricheski zaryazhennymi i poluchayut nazvanie "ionov"; poskol'ku ih zaryady v takom sluchae protivopolozhny, oni vzaimno prityagivayutsya. Himik govorit v etom sluchae o "polyarnoj svyazi". Pri vtorom tipe svyazi elektron opredelennym obrazom, harakternym tol'ko dlya kvantovoj teorii, prinadlezhit oboim atomam. Esli ispol'zovat' kartinu elektronnyh orbit, to mozhno priblizitel'no skazat', chto elektron obrashchaetsya vokrug oboih atomnyh yader i znachitel'nuyu dolyu vremeni provodit kak v odnom, tak i v drugom atome. |tot vtoroj tip svyazi sootvetstvuet tomu, chto himik nazyvaet "valentnoj svyaz'yu". |ti dva tipa svyazi, kotorye mogut sushchestvovat' vo vsevozmozhnyh kombinaciyah, vyzyvayut v konechnom schete obrazovanie razlichnyh sovokupnostej atomov i okazyvayutsya v konce koncov opredelyayushchimi vse slozhnye struktury, kotorye izuchayutsya fizikoj i himiej. Itak, himicheskie soedineniya obrazuyutsya blagodarya tomu, chto iz atomov razlichnogo roda voznikayut nebol'shie zamknutye gruppy, i kazhdaya gruppa mozhet byt' nazvana molekuloj himicheskogo soedineniya. Pri obrazovanii kristallov atomy raspolagayutsya v vide uporyadochennyh reshetok. Metally obrazuyutsya togda, kogda atomy raspolozheny tak plotno, chto vneshnie elektrony pokidayut svoi obolochki i mogut prohodit' skvoz' ves' kusok metalla. Magnetizm nekotoryh veshchestv, osobenno nekotoryh metallov, voznikaet vsledstvie vrashchatel'nogo dvizheniya otdel'nyh elektronov v etom metalle i t. d. Vo vseh etih sluchayah dualizm mezhdu materiej i siloj eshche mozhet byt' sohranen, tak kak yadra i elektrony mozhno rassmatrivat' kak stroitel'nye kirpichi materii, kotorye uderzhivayutsya vmeste s elektromagnitnymi silami. V to vremya kak fizika i himiya (tam, gde oni imeyut otnoshenie k stroeniyu materii) sostavlyayut edinuyu nauku, v biologii s ee bolee slozhnymi strukturami polozhenie skladyvaetsya neskol'ko po-drugomu. Pravda, nesmotrya na brosayushchuyusya v glaza celostnost' zhivyh organizmov, rezkoe razlichie mezhdu zhivoj i nezhivoj materiej, veroyatno, provedeno byt' ne mozhet. Razvitie biologii dalo nam bol'shoe chislo primerov, iz kotoryh mozhno videt', chto specificheski biologicheskie funkcii mogut vypolnyat'sya osobymi bol'shimi molekulami ili gruppami, ili cepyami takih molekul. |ti primery podcherkivayut tendenciyu v sovremennoj biologii ob®yasnyat' biologicheskie processy kak sledstvie zakonov fiziki i himii. No rod stabil'nosti, kotoryj my usmatrivaem v zhivyh organizmah, po svoej prirode neskol'ko otlichen ot stabil'nosti atoma ili kristalla. V biologii rech' idet skoree o stabil'nosti processa ili funkcii, chem o stabil'nosti formy. Nesomnenno, kvantovo-mehanicheskie zakony igrayut v biologicheskih processah ochen' vazhnuyu rol'. Naprimer, dlya ponimaniya bol'shih organicheskih molekul i ih raznoobraznyh geometricheskih konfiguracij sushchestvenny specificheskie kvantovo-mehanicheskie sily, kotorye tol'ko neskol'ko netochno mogut byt' opisany na osnove ponyatiya himicheskoj valentnosti. Opyty po biologicheskim mutaciyam, vyzyvaemym izlucheniem, pokazyvayut takzhe kak vazhnost' statisticheskogo haraktera kvantovo-mehanicheskih zakonov, tak i sushchestvovanie mehanizmov usileniya. Tesnaya analogiya mezhdu processami v nashej nervnoj sisteme i processami, kotorye imeyut mesto pri funkcionirovanii sovremennoj elektronnoj schetnoj mashiny, snova podcherkivaet vazhnost' dlya zhivogo organizma otdel'nyh elementarnyh processov. No vse eti primery vse-taki ne dokazyvayut, chto fizika i himiya, dopolnennye ucheniem o razvitii, sdelayut vozmozhnym polnoe opisanie zhivyh organizmov. Biologicheskie processy dolzhny traktovat'sya estestvoispytatelyami-eksperimentatorami s bol'shej ostorozhnost'yu, chem processy fiziki i himii. Kak poyasnil Bor, vpolne mozhet okazat'sya, chto opisaniya zhivogo organizma, kotoroe s tochki zreniya fizika mozhet byt' nazvano polnym, sovsem ne sushchestvuet, potomu chto dannoe opisanie potrebovalo by takih eksperimentov, kotorye dolzhny byli by prijti v slishkom sil'nyj konflikt s biologicheskimi funkciyami organizma. Bor opisal etu situaciyu sleduyushchim obrazom: v biologii my imeem delo skoree s realizaciej vozmozhnostej v toj chasti prirody, k kotoroj my prinadlezhim, chem s rezul'tatami eksperimentov, kotorye my sami mozhem proizvesti. Situaciya dopolnitel'nosti, v kotoroj dejstvenna eta formulirovka, otrazhaetsya kak tendenciya v metodah sovremennoj biologii: s odnoj storony, polnost'yu ispol'zovat' metody i rezul'taty fiziki i himii i, s drugoj storony, vse zhe postoyanno upotreblyat' ponyatiya, kotorye otnosyatsya k tem chertam organicheskoj prirody, kotorye ne soderzhatsya v fizike i himii, kak, naprimer, ponyatie samoj zhizni. Poka my proveli, sledovatel'no, analiz stroeniya .materii v odnom napravlenii -- ot atoma k bolee slozhnym strukturam, so- stoyashchim iz atomov: ot atomnoj fiziki k fizike tverdogo tela, k himii i, nakonec, k biologii. Teper' my dolzhny povernut' v protivopolozhnom napravlenii i prosledit' liniyu issledovanij, napravlennuyu ot vneshnih oblastej atoma k vnutrennim oblastyam, k atomnomu yadru i, nakonec, k elementarnym chasticam. Tol'ko eta vtoraya liniya privedet nas, byt' mozhet, k ponimaniyu edinstva materii. Zdes' ne nuzhno boyat'sya togo, chto harakteristicheskie struktury budut sami razrusheny v opytah. Esli postavlena zadacha proverit' v opytah principial'noe edinstvo materii, to my mozhem podvergnut' materiyu dejstviyu samyh sil'nyh iz vozmozhnyh sil, vozdejstviyu samyh predel'nyh uslovij, chtoby uvidet', mozhet li ,v konce koncov materiya byt' prevrashchena v kakuyu-nibud' druguyu materiyu. Pervym shagom v etom napravlenii byl eksperimental'nyj analiz atomnogo yadra. V nachal'nye periody etih issledovanij, kotorye zapolnyayut primerno pervye tri desyatka let nashego stoletiya, edinstvennym instrumentom dlya eksperimentov nad atomnym yadrom byli al'fa-chasticy, ispuskaemye radioaktivnymi veshchestvami. S pomoshch'yu etih chastic Rezerfordu udalos' v 1919 godu prevratit' drug v druga atomnye yadra legkih elementov. On smog, naprimer, yadro azota prevratit' v yadro kisloroda, prisoedinyaya k yadru azota al'fa-chasticu i v to zhe samoe vremya vybivaya iz nego proton. |to byl pervyj primer processa na rasstoyaniyah poryadka radiusov atomnyh yader, kotoryj napominal himicheskie processy, no kotoryj vel k iskusstvennomu prevrashcheniyu elementov. Sleduyushchim reshayushchim uspehom bylo iskusstvennoe uskorenie protonov v priborah vysokogo napryazheniya do energij, dostatochnyh dlya yadernyh prevrashchenij. Dlya etoj celi neobhodimy raznosti napryazhenij primerno v million vol't, i Kokroftu i Uoltonu v ih pervom reshayushchem eksperimente udalos' prevratit' atomnye yadra elementa litiya v atomnye yadra elementa geliya. |to otkrytie vyyavilo dlya issledovanij sovershenno novoe pole, kotoroe mozhet byt' nazvano yadernoj fizikoj v sobstvennom smysle slova i kotoroe ochen' bystro privelo k kachestvennomu ponimaniyu stroeniya atomnogo yadra. Na samom dele stroenie atomnogo yadra okazalos' ochen' prostym. Atomnoe yadro sostoit vsego iz dvuh razlichnyh vidov elementarnyh chastic. Odna iz elementarnyh chastic -- proton, yavlyayushchayasya odnovremenno yadrom atoma vodoroda. Drugaya byla nazvana nejtronom, chastica, obladayushchaya primerno toj zhe massoj, chto i proton, i, krome togo, elektricheski nejtral'naya. Kazhdoe atomnoe yadro mozhno, takim obrazom, oharakterizovat' obshchim chislom protonov i nejtronov, iz kotoryh ono sostoit. YAdro obychnogo atoma ugleroda sostoit iz 6 protonov i 6 nejtronov. No est' takzhe i drugie yadra atomov ugleroda, kotorye yavlyayutsya neskol'ko bolee redkimi -- oni byli nazvany izotopami pervyh -- i kotorye sostoyat iz 6 protonov i 7 nejtronov i t. d. Tak v konce koncov prishli k opisaniyu materii, v kotorom vmesto mnogih razlichnyh himicheskih elementov ispol'zovalis' tol'ko tri osnovnye edinicy, tri fundamental'nyh stroitel'nyh kirpicha -- proton, nejtron i elektron. Vsya materiya sostoit iz atomov i postroena poetomu v konechnom schete iz etih treh osnovnyh stroitel'nyh kirpichej. |to eshche, konechno, ne oznachaet edinstva materii, no nesomnenno oznachaet vazhnyj shag v napravlenii etogo edinstva i, chto bylo, pozhaluj, eshche vazhnee, oznachaet sushchestvennoe uproshchenie. Pravda, vperedi byl eshche dlinnyj put' ot znaniya etih osnovnyh stroitel'nyh kirpichej atomnogo yadra k polnomu ponimaniyu ego stroeniya. Zdes' problema byla neskol'ko otlichnoj ot sootvetstvuyushchej problemy otnositel'no vneshnej obolochki atoma, reshennoj v seredine dvadcatyh godov. V sluchae elektronnoj obolochki sily mezhdu chasticami byli izvestny s bol'shoj tochnost'yu, no, krome togo, dolzhny byli byt' najdeny dinamicheskie zakony, i oni v konce koncov byli sformulirovany v kvantovoj mehanike. V sluchae atomnogo yadra mozhno bylo vpolne predpolozhit', chto dinamicheskimi zakonami yavlyayutsya v osnovnom zakony kvantovoj teorii, no zdes' byli prezhde vsego neizvestny sily mezhdu chasticami. Ih neobhodimo bylo vyvesti iz eksperimental'nyh svojstv atomnyh yader. |ta problema ne mozhet byt' reshena polnost'yu eshche do sih por. Sily, veroyatno, ne imeyut takogo prostogo vida, kak v sluchae elektrostaticheskih sil mezhdu elektronami vo vneshnih obolochkah, i poetomu matematicheski vyvesti svojstva atomnyh yader iz bolee slozhnyh sil trudnee, i, krome togo, progressu prepyatstvuet netochnost' eksperimentov. No kachestvennye predstavleniya o strukture yadra priobreli vpolne opredelennyj vid. V konce koncov, v kachestve poslednej vazhnejshej problemy ostaetsya problema edinstva materii. YAvlyayutsya li eti elementarnye chasticy -- proton, nejtron i elektron poslednimi, nerazlozhimymi stroitel'nymi kirpichami materii, inymi slovami, "atomami" v smysle filosofii Demokrita, bez kakih-libo vzaimnyh svyazej (otvlekayas' ot dejstvuyushchih mezhdu nimi sil), ili zhe oni yavlyayutsya tol'ko razlichnymi formami odnogo i togo zhe vida materii? Dalee, mogut li oni prevrashchat'sya drug v druga ili dazhe v drugie formy materii? Esli reshat' etu problemu eksperimental'no, to dlya etogo trebuyutsya sily i skoncentrirovannye na atomnyh chasticah energii, kotorye dolzhny byt' vo mnogo raz bol'she, chem te, kotorye byli ispol'zovany dlya issledovaniya atomnogo yadra. Tak kak zapasy energii v atomnyh yadrah nedostatochno veliki, chtoby obespechit' nam sredstva dlya provedeniya takih eksperimentov, to fiziki dolzhny ili vospol'zovat'sya silami v kosmose, to est' v prostranstve mezhdu zvezdami, na poverhnosti zvezd, ili zhe oni dolzhny doverit'sya umeniyu inzhenerov. Na samom dele uspehi byli dostignuty na oboih putyah. Prezhde vsego fiziki ispol'zovali tak nazyvaemoe kosmicheskoe izluchenie. |lektromagnitnye polya na poverhnosti zvezd, prostirayushchiesya na gigantskie prostranstva, pri blagopriyatnyh usloviyah mogut uskorit' zaryazhennye atomnye chasticy, elektrony i atomnye yadra, kotorye, kak okazalos', vsledstvie svoej bol'shej inercii imeyut bol'she vozmozhnostej bolee dolgoe vremya ostavat'sya v uskoryayushchem pole, i kogda oni v konce koncov uhodyat s poverhnosti zvezdy v pustoe pro- stranstvo, to inogda uspevayut projti potencial'nye polya vo mnogo milliardov vol't. Dal'nejshee uskorenie pri blagopriyatnyh usloviyah proishodit eshche v peremennyh magnitnyh polyah mezhdu zvezdami. Vo vsyakom sluchae, okazyvaetsya, chto atomnye yadra dolgoe vremya uderzhivayutsya peremennymi magnitnymi polyami v prostranstve Galaktiki, i v konce koncov oni, takim obrazom, zapolnyayut prostranstvo Galaktiki tem, chto nazyvayut kosmicheskim izlucheniem. |to izluchenie dostigaet Zemli izvne i, sledovatel'no, sostoit iz vseh vozmozhnyh atomnyh yader -- vodoroda, geliya i bolee tyazhelyh elementov, -- energii kotoryh izmenyayutsya primerno ot soten ili tysyach millionov elektron-vol't do velichin, v million raz bol'shih. Kogda chasticy etogo vysotnogo izlucheniya vtorgayutsya v verhnie sloi atmosfery Zemli, oni stalkivayutsya zdes' s atomami azota ili kisloroda atmosfery ili atomami kakogo-libo eksperimental'nogo ustrojstva, kotoroe podvergayut vozdejstviyu kosmicheskogo izlucheniya. Rezul'taty vozdejstviya mogut byt' zatem issledovany. Drugaya vozmozhnost' sostoit v konstruirovanii ochen' bol'shih uskoritelej elementarnyh chastic. V kachestve prototipa dlya nih mozhet schitat'sya tak nazyvaemyj ciklotron, kotoryj byl skonstruirovan v Kalifornii v nachale tridcatyh godov Lourensom. Osnovnaya ideya konstrukcii etih ustanovok sostoit v tom, chto blagodarya sil'nomu magnitnomu polyu zaryazhennye atomnye chasticy prinuzhdayut mnogokratno vrashchat'sya po krugu, tak chto oni na etom krugovom puti mogut snova i snova uskorit'sya elektricheskim polem. Ustanovki, v kotoryh mogut byt' dostignuty energii vo mnogo soten millionov elektron-vol't, v nastoyashchee vremya dejstvuyut vo mnogih mestah zemnogo shara, glavnym obrazom v Velikobritanii. Blagodarya sotrudnichestvu 12 evropejskih stran v ZHeneve stroitsya ochen' bol'shoj uskoritel' takogo roda, kotoryj, kak nadeyutsya, budet davat' protony energiej do 25 millionov elektron-vol't. |ksperimenty, provedennye s pomoshch'yu kosmicheskogo izlucheniya ili ochen' bol'shih uskoritelej, vyyavili novye interesnye cherty materii. Krome treh osnovnyh stroitel'nyh kirpichej materii -- elektrona, protona i nejtrona, -- byli otkryty novye elementarnye chasticy, kotorye porozhdayutsya v etih proishodyashchih pri vysokih energiyah stolknoveniyah i kotorye po istechenii isklyuchitel'no malyh promezhutkov vremeni ischezayut, prevrashchayas' v drugie elementarnye chasticy. Novye elementarnye chasticy imeyut svojstva, podobnye svojstvam staryh, za isklyucheniem svoej nestabil'nosti. Dazhe samye stabil'nye sredi novyh elementarnyh chastic imeyut prodolzhitel'nost' zhizni tol'ko okolo millionnoj doli sekundy, a vremya zhizni drugih -- eshche v sotni ili tysyachi raz men'she. V nastoyashchee vremya izvestno priblizitel'no 25 razlichnyh vidov elementarnyh chastic. Samaya "molodaya" iz nih -- otricatel'no zaryazhennyj proton, kotoryj nazyvayut antiprotonom. |ti rezul'taty kazhutsya na pervyj vzglyad opyat' uvodyashchimi v storonu ot idej o edinstve materii, tak kak chislo fundamental'nyh stroitel'nyh kirpichej materii, po-vidimomu, snova uvelichi- los' do kolichestva, sravnimogo s kolichestvom razlichnyh himicheskih elementov. No eto bylo by netochnym tolkovaniem dejstvitel'nogo polozheniya veshchej. Ved' eksperimenty odnovremenno pokazali, chto chasticy voznikayut iz drugih chastic i mogut byt' prevrashcheny v drugie chasticy, chto oni obrazuyutsya prosto iz kineticheskoj energii takih chastic i mogut snova ischeznut', tak chto iz nih vozniknut drugie chasticy. Stalo byt', drugimi slovami: eksperimenty pokazali polnuyu prevrashchaemost' materii. Vse elementarnye chasticy v stolknoveniyah dostatochno bol'shoj energii mogut prevratit'sya v drugie chasticy ili mogut byt' prosto sozdany iz kineticheskoj energii; i oni mogut prevratit'sya v energiyu, naprimer v izluchenie. Sledovatel'no, my imeem zdes' fakticheski okonchatel'noe dokazatel'stvo edinstva materii. Vse elementarnye chasticy "sdelany" iz odnoj i toj zhe substancii, iz odnogo i togo zhe materiala, kotoryj my teper' mozhem nazvat' energiej ili universal'noj materiej; oni -- tol'ko razlichnye formy, v kotoryh mozhet proyavlyat'sya materiya. Esli sravnit' etu situaciyu s ponyatiem materii i formy u Aristotelya, to mozhno skazat', chto materiyu Aristotelya, kotoraya v osnovnom byla "potenciej", to est' vozmozhnost'yu, sleduet sravnivat' s nashim ponyatiem energii; kogda elementarnaya chastica rozhdaetsya, energiya vyyavlyaet sebya blagodarya forme kak material'naya real'nost'. Sovremennaya fizika ne mozhet, estestvenno, udovletvorit'sya tol'ko kachestvennym opisaniem fundamental'noj struktury materii; ona dolzhna popytat'sya na osnove tshchatel'no provedennyh eksperimentov uglubit' analiz do matematicheskoj formulirovki zakonov prirody, opredelyayushchih formy materii, a imenno elementarnye chasticy i ih sily. CHetkoe razgranichenie mezhdu materiej i siloj ili siloj i veshchestvom v etoj chasti fiziki bol'she provedeno byt' ne mozhet, tak kak lyubaya elementarnaya chastica ne tol'ko sama porozhdaet sily i sama ispytyvaet vozdejstvie sil, no i v to zhe samoe vremya sama predstavlyaet v dannom sluchae opredelennoe silovoe pole. Kvantovo-mehanicheskij dualizm voln i chastic yavlyaetsya prichinoj togo, chto odna i ta zhe real'nost' proyavlyaet sebya i kak materiya, i kak sila. Vse popytki najti matematicheskoe opisanie dlya zakonov prirody v mire elementarnyh chastic do sih por nachinalis' s kvantovoj teorii volnovyh polej. Teoreticheskie issledovaniya v etoj oblasti byli predprinyaty v nachale tridcatyh godov. No uzhe pervye raboty v etoj oblasti vyyavili ochen' ser'eznye trudnosti v oblasti, gde kvantovuyu teoriyu pytalis' ob®edinit' so special'noj teoriej otnositel'nosti. S pervogo vzglyada kazhetsya, budto dve teorii, kvantovaya i teoriya otnositel'nosti, otnosyatsya k stol' razlichnym storonam prirody, chto prakticheski oni nikak ne mogut vliyat' drug na druga i chto poetomu trebovaniya obeih teorij dolzhny byt' legko vypolnimy v odnom i tom zhe formalizme. No bolee tochnoe issledovanie pokazalo, chto obe eti teorii vstupayut v opredelennom punkte v konflikt, v rezul'tate chego i proistekayut vse dal'nejshie trudnosti. Special'naya teoriya otnositel'nosti raskryla strukturu prostranstva i vremeni, kotoraya okazalas' neskol'ko otlichnoj ot struktury, pripisyvavshejsya im so vremeni sozdaniya n'yutonovskoj mehaniki. Naibolee harakternaya cherta etoj vnov' otkrytoj struktury -- sushchestvovanie maksimal'noj skorosti, kotoraya ne mozhet byt' prevzojdena lyubym dvizhushchimsya telom ili rasprostranyayushchimsya signalom, to est' skorosti sveta. Kak sledstvie etogo dva sobytiya, imeyushchie mesto v dvuh ves'ma udalennyh drug ot druga tochkah, ne mogut imet' nikakoj neposredstvennoj prichinnoj svyazi, esli oni proishodyat v takie momenty vremeni, kogda svetovoj signal, vyhodyashchij v moment pervogo sobytiya iz etoj tochki, dostigaet drugoj tol'ko posle momenta sversheniya drugogo sobytiya i naoborot. V etom sluchae oba sobytiya mozhno nazvat' odnovremennymi. Poskol'ku nikakoe vozdejstvie lyubogo roda ne mozhet peredat'sya ot odnogo processa v odin moment vremeni drugomu processu v drugoj moment vremeni, oba processa ne mogut byt' svyazany nikakim fizicheskim vozdejstviem. Po etoj prichine dejstvie na bol'shie rasstoyaniya tak, kak ono vystupaet v sluchae sil tyagoteniya v n'yutonovskoj mehanike, okazalos' nesovmestimym so special'noj teoriej otnositel'nosti. Novaya teoriya dolzhna byla zamenit' takoe dejstvie "blizkodejstviem", to est' peredachej sily iz odnoj tochki tol'ko neposredstvenno sosednej tochke. Estestvennym matematicheskim vyrazheniem vzaimodejstvij etogo roda okazalis' differencial'nye uravneniya dlya voln ili polej, invariantnye otnositel'no preobrazovaniya Lorenca. Takie differencial'nye uravneniya isklyuchayut kakoe-libo pryamoe vozdejstvie odnovremennyh sobytij drug na druga. Poetomu struktura prostranstva i vremeni, vyrazhaemaya special'noj teoriej otnositel'nosti, predel'no rezko otgranichivaet oblast' odnovremennosti, v kotoroj ne mozhet byt' peredano nikakoe vozdejstvie, ot drugih oblastej, v kotoryh neposredstvennoe vozdejstvie odnogo processa na drugoj mozhet imet' mesto. S drugoj storony, sootnoshenie neopredelennostej kvantovoj teorii ustanavlivaet zhestkuyu granicu tochnosti, s kotoroj mogut byt' odnovremenno izmereny koordinaty i impul'sy ili momenty vremeni i energii. Tak kak predel'no rezkaya granica oznachaet beskonechnuyu tochnost' fiksacii polozheniya v prostranstve i vo vremeni, to sootvetstvuyushchie impul'sy i energii dolzhny byt' polnost'yu neopredelennymi, to est' s podavlyayushchej veroyatnost'yu dolzhny vystupit' na pervyj plan processy dazhe so skol' ugodno bol'shimi impul'sami i energiyami. Poetomu vsyakaya teoriya, kotoraya odnovremenno vypolnyaet trebovaniya special'noj teorii otnositel'nosti i kvantovoj teorii, vedet, okazyvaetsya, k matematicheskim protivorechiyam, a imenno k rashodimostyam v oblasti ochen' bol'shih energij i impul'sov. |ti vyvody ne obyazatel'no mogut nosit' neobhodimyj harakter, tak kak vsyakij formalizm rassmotrennogo zdes' roda yavlyaetsya ved' ochen' slozhnym, i vozmozhno eshche, chto budut najdeny matematicheskie sredstva, kotorye pomogut ustranit' v etom punkte protivorechie mezhdu teoriej otnositel'nosti i kvantovoj teoriej. No do sih por vse-taki vse matematicheskie shemy, kotorye byli issledovany, privodili v samom dele k takim rashodimostyam, to est' k matematicheskim protivorechiyam, ili zhe oni okazyvalis' nedostatochnymi, chtoby udovletvorit' vsem trebovaniyam obeih teorij. Krome togo, bylo ochevidno, chto trudnosti v samom dele proistekayut iz tol'ko chto rassmotrennogo punkta. Tot punkt, v kotorom shodyashchiesya matematicheskie shemy ne udovletvoryayut trebovaniyam teorii otnositel'nosti ili kvantovoj teorii, okazalsya ochen' interesnym uzhe sam po sebe. Odna iz takih shem vela, naprimer, kogda ee pytalis' interpretirovat' s pomoshch'yu real'nyh processov v prostranstve i vremeni, k nekotorogo roda obrashcheniyu vremeni; ona opisyvala processy, v kotoryh v opredelennoj tochke vnezapno proishodilo rozhdenie neskol'kih elementarnyh chastic, a energiya dlya etogo processa postupala tol'ko pozdnee blagodarya kakim-to drugim processam stolknoveniya mezhdu elementarnymi chasticami. Fiziki zhe na osnovanii svoih eksperimentov ubezhdeny, chto processy takogo roda v prirode ne imeyut mesta, po krajnej mere togda, kogda oba processa otdeleny drug ot druga nekotorym izmerimym rasstoyaniem v prostranstve i vo vremeni. V drugoj teoreticheskoj sheme popytka ustranit' rashodimosti formalizma delalas' na osnove matematicheskogo processa, kotoryj byl nazvan "perenormirovkoj". |tot process zaklyuchaetsya v tom, chto beskonechnosti formalizma mozhno bylo peredvinut' v takoe mesto, gde oni ne mogut pomeshat' polucheniyu strogo opredelyaemyh sootnoshenij mezhdu nablyudaemymi velichinami. Dejstvitel'no, eta shema uzhe privela do opredelennoj stepeni k reshayushchim uspeham v kvantovoj elektrodinamike, tak kak ona daet sposob rascheta nekotoryh ochen' interesnyh osobennostej v spektre vodoroda, kotorye do etogo byli neob®yasnimy. Bolee tochnyj analiz etoj matematicheskoj shemy sdelal, odnako, pravdopodobnym vyvod o tom, chto te velichiny, kotorye v obychnoj kvantovoj teorii dolzhny byt' istolkovany kak veroyatnosti, mogut v dannom sluchae pri nekotoryh obstoyatel'stvah, posle togo kak process perenormirovki proveden, stat' otricatel'nymi. |to isklyuchalo by, razumeetsya, neprotivorechivoe istolkovanie formalizma dlya opisaniya materii, tak kak otricatel'naya veroyatnost' -- bessmyslennoe ponyatie. Tem samym my uzhe prishli k problemam, kotorye nyne stoyat v centre diskussij v sovremennoj fizike. Reshenie budet polucheno kogda-nibud' blagodarya postoyanno obogashchayushchemusya eksperimental'nomu materialu, kotoryj dobyvaetsya vo vse bolee i bolee tochnyh izmereniyah elementarnyh chastic, ih porozhdeniya i unichtozheniya, sil, dejstvuyushchih mezhdu nimi. Esli iskat' vozmozhnye resheniya etih trudnostej, to, mozhet byt', sleduet vspomnit' o tom, chto takie processy s vidimym obrashcheniem vremeni, obsuzhdennye vyshe, nel'zya isklyuchit' na osnovanii eksperimental'nyh dannyh v tom sluchae, esli oni imeyut mesto tol'ko vnutri sovsem malyh prostranstvenno-vremennyh oblastej, vnutri kotoryh s nashim tepereshnim eksperimental'nym oborudovaniem detal'no prosledit' processy eshche ne- vozmozhno. Razumeetsya, pri tepereshnem sostoyanii nashego znaniya my edva li gotovy priznat' vozmozhnost' takih processov s obrashcheniem vremeni, esli iz etogo i sleduet vozmozhnost' na kakoj-to bolee pozdnej stadii razvitiya fiziki nablyudat' podobnogo roda processy takim zhe obrazom, kakim nablyudayut obychnye atomnye processy. No zdes' sravnenie analiza kvantovoj teorii i analiza teorii otnositel'nosti pozvolyaet predstavit' problemu v novom svete. Teoriya otnositel'nosti svyazana s universal'noj postoyannoj prirody -- so skorost'yu sveta. |ta postoyannaya imeet reshayushchee znachenie dlya ustanovleniya svyazi mezhdu prostranstvom i vremenem i poetomu dolzhna sama po sebe soderzhat'sya vo vsyakom zakone prirody, udovletvoryayushchem trebovaniyam invariantnosti otnositel'no preobrazovanij Lorenca. Nash obychnyj yazyk i ponyatiya klassicheskoj fiziki mogut byt' primeneny tol'ko k yavleniyam, dlya kotoryh skorost' sveta mozhet rassmatrivat'sya prakticheski beskonechno bol'shoj. Esli my v nashih eksperimentah v kakoj-libo forme priblizhaemsya k skorosti sveta, to my dolzhny byt' podgotovleny k poyavleniyu rezul'tatov, kotorye bolee ne mogut byt' ob®yasneny s pomoshch'yu etih obyknovennyh ponyatij. Kvantovaya teoriya svyazana s drugoj universal'noj postoyannoj prirody -- s plankovskim kvantom dejstviya. Ob®ektivnoe opisanie processov v prostranstve i vo vremeni okazyvaetsya vozmozhnym tol'ko togda, kogda my imeem delo s predmetami i processami sravnitel'no bol'shih masshtabov, a imenno togda postoyannuyu Planka mozhno rassmatrivat' kak prakticheski beskonechno maluyu. Kogda my v nashih eksperimentah priblizhaemsya k oblasti, v kotoroj plankovskij kvant dejstviya stanovitsya sushchestvennym, my prihodim ko vsem tem trudnostyam s primeneniem obychnyh ponyatij, kotorye byli obsuzhdeny v predydushchih glavah etoj knigi. No dolzhna byt' eshche tret'ya universal'naya postoyannaya prirody. |to sleduet prosto, kak govoryat fiziki, iz soobrazhenij razmernosti. Universal'nye postoyannye opredelyayut velichiny masshtabov v prirode, oni dayut nam harakteristicheskie velichiny, k kotorym mozhno svesti vse drugie velichiny v prirode. Dlya polnogo nabora takih edinic neobhodimy, odnako, tri osnovnye edinicy. Proshche vsego zaklyuchit' ob etom mozhno iz obychnyh soglashenij o edinicah, kak, naprimer, iz ispol'zovaniya fizikami sistemy CQS (santimetr -- gramm -- sekunda). Edinicy dliny, edinicy vremeni i edinicy massy vmeste dostatochno, chtoby obrazovat' polnuyu sistemu. Neobhodimy po men'shej mere tri osnovnye edinicy. Ih mozhno bylo by zamenit' takzhe edinicami dliny, skorosti i massy ili edinicami dliny, skorosti i energii i t. d. No tri osnovnye edinicy neobhodimy vo vsyakom sluchae. Skorost' sveta i plankovskij kvant dejstviya dayut nam, odnako, tol'ko dve iz etih velichin. Dolzhna byt' eshche tret'ya, i tol'ko teoriya, soderzhashchaya takuyu tret'yu edinicu, vozmozhno, sposobna vesti k opredeleniyu mass i drugih svojstv elementarnyh chastic. Esli ishodit' iz nashih sovremennyh poznanij ob elementarnyh chasticah, to, pozhaluj, samym prostym i samym priemlemym putem vvedeniya tret'ej universal'noj postoyannoj yavlyaetsya predpolozhenie o tom, chto sushchestvuet universal'naya dlina poryadka velichiny 10-13 sm, dlina, stalo byt', sravnimaya primerno s radiusami legkih atomnyh yader. Esli iz. etih treh edinic obrazovat' vyrazhenie, imeyushchee razmernost' massy, to eta massa imeet poryadok velichiny massy obychnyh elementarnyh chastic. Esli predpolozhit', chto zakony prirody dejstvitel'no soderzhat takuyu tret'yu universal'nuyu postoyannuyu razmernosti dliny poryadka velichiny 10-13 sm, to togda vpolne vozmozhno, chto nashi obychnye predstavleniya mogut byt' primenimy tol'ko k takim oblastyam prostranstva i vremeni, kotorye veliki po sravneniyu s etoj universal'noj postoyannoj dliny. Po mere priblizheniya v svoih eksperimentah k oblastyam prostranstva i vremeni, malym po sravneniyu s radiusami atomnyh yader, my dolzhny byt' gotovy k tomu, chto budut nablyudat'sya processy kachestvenno novogo haraktera. YAvlenie obrashcheniya vremeni, o kotorom govorilos' vyshe i poka chto tol'ko kak o vozmozhnosti, vyvodimoj iz teoreticheskih soobrazhenij, moglo by poetomu prinadlezhat' etim mel'chajshim prostranstvenno-vremennym oblastyam. Esli eto tak, to, veroyatno, ego bylo by nel'zya nablyudat' takim obrazom, chto sootvetstvuyushchij process mog by byt' opisan v klassicheskih ponyatiyah. I vse zhe v toj mere, v kakoj takie processy mogut byt' opisany klassicheskimi ponyatiyami, oni dolzhny obnaruzhivat' takzhe i klassicheskij poryadok sledovaniya vo vremeni. No poka o processah v samyh malyh prostranstvenno-vremennyh oblastyah -- ili (chto soglasno sootnosheniyu neopredelennostej priblizitel'no sootvetstvuet etomu vyskazyvaniyu) pri samyh bol'shih peredavaemyh energiyah i impul'sah -- izvestno slishkom malo. V popytkah dostich' na osnove eksperimentov nad elementarnymi chasticami bol'shego znaniya o zakonah prirody, opredelyayushchih stroenie materii i tem samym strukturu elementarnyh chastic, osobenno vazhnuyu rol' igrayut opredelennye svojstva simmetrii. My napomnim o tom, chto v filosofii Platona samye malen'kie chasticy materii byli absolyutno simmetrichnymi obrazovaniyami, a imenno pravil'nymi telami -- kubom, oktaedrom, ikosaedrom, tetraedrom. V sovremennoj fizike, pravda, eti special'nye gruppy simmetrii, poluchayushchiesya iz gruppy vrashchenij v trehmernom prostranstve, ne stoyat bol'she v centre vnimaniya. To, chto imeet mesto v estestvoznanii novogo vremeni, ni v koem sluchae ne yavlyaetsya prostranstvennoj formoj, a predstavlyaet soboj zakon, stalo byt', v opredelennoj stepeni prostranstvenno-vremennuyu formu, i poetomu primenyaemye v nashej fizike simmetrii dolzhny vsegda otnosit'sya k prostranstvu i vremeni sovmestno. No opredelennye tipy simmetrii, kazhetsya, v dejstvitel'nosti igrayut v teorii elementarnyh chastic naibolee vazhnuyu rol'. My poznaem ih empiricheski blagodarya tak nazyvaemym zakonam sohraneniya i blagodarya sisteme kvantovyh chisel, s pomoshch'yu kotoryh mozhno uporyadochit' sootvetstvenno opytu sobytiya v mire ele- mentarnyh chastic. Matematicheski my mozhem ih vyrazit' s pomoshch'yu trebovaniya, chtoby osnovnoj zakon prirody dlya materii byl invariantnym otnositel'no opredelennyh grupp preobrazovanij. |ti gruppy preobrazovanij yavlyayutsya naibolee prostym matematicheskim vyrazheniem svojstv simmetrii. Oni vystupayut v sovremennoj fizike vmesto tel Platona. Naibolee vazhnye zdes' kratko perechisleny. Gruppa tak nazyvaemyh preobrazovanij Lorenca harakterizuet vskrytuyu special'noj teoriej otnositel'nosti strukturu prostranstva i vremeni. Gruppa, issledovannaya Pauli i Gyurshi, sootvetstvuet po svoej strukture gruppe trehmernyh prostranstvennyh vrashchenij -- ona ej izomorfna, kak govoryat matematiki, -- i proyavlyaet sebya v poyavlenii kvantovogo chisla, kotoroe empiricheski bylo otkryto u elementarnyh chastic uzhe dvadcat' pyat' let nazad i poluchilo nazvanie "izospin". Dve sleduyushchie gruppy, vedushchie sebya formal'no kak gruppy vrashchenij vokrug zhestkoj osi, privodyat k zakonam sohraneniya dlya zaryada, dlya chisla barionov i dlya chisla leptonov. Nakonec, zakony prirody dolzhny byt' invariantny eshche otnositel'no opredelennyh operacij otrazheniya, kotorye zdes' net nuzhdy perechislyat' podrobno. Po etomu voprosu osobenno vazhnymi i plodotvornymi