Естественнонаучная картина мира

Об этом говорит еще один уже упомянутый нами и очень важный для описания атомного и субатомного мира принцип, предложенный Вернером Гейзенбергом все в том же 1927 г. – принцип неопределенности (математическое его выражение называется «соотношениями неопределенностей Гейзенберга»). Суть этого принципа состоит в следующем: у частицы не могут быть одновременно точно измерены и пространственные координаты, и импульс. Иными словами: если в выбранный момент времени мы точно знаем, где частица находится, то определить, с какой скоростью она перемещается в этот же момент времени, мы уже не сможем, и наоборот. По отдельности можно добиться очень высокой точности, но вот одновременно это не возможно. Почему же так происходит? А дело вот в чем: в привычном для нас макромире при измерении положения любого объекта в пространстве и скорости его движения мы на этот объект почти не воздействуем, а если и воздействуем (например, направляем на него луч света), то настолько незначительно, что это совершенно не сказывается на результате измерений. То есть мы способны одновременно и очень точно (с неопределенностью равной нулю) установить и координаты этого объекта, и с какой скоростью он перемещается. Но в микромире любая попытка измерения приводит к необратимому воздействию на систему инструментами этого измерения. Если мы захотим измерить местоположение частицы, нам понадобится направить на нее другие частицы (например, фотоны), а столкновение с ними неизбежно изменит ее скорость, причем изменит непредсказуемо.

Надо сказать, что одним из следствий принципа неопределенности стало представление о Вселенной как о наборе вероятностей, возможностей. Получалось, что процессы, происходящие в ней, не так уж и детерминированы (обусловлены и предсказуемы), как думали еще классики естествознания. Такое положение вещей не только удивило, но даже повергло в шок ученых – современников Гейзенберга. Знаменитое высказывание А. Эйнштейна «Бог не играет в кости» было связано с его критикой принципа неопределенности и попыткой вернуть мирозданию столь привычную и удобную детерминированность. Эйнштейн утверждал, что если мы не можем предсказать какие-либо процессы, происходящие в микромире, то это еще не значит, что эти процессы ничем не обусловлены. Все дело в нашей пока еще неспособности эту обусловленность обнаружить. Он считал, что в квантовой механике существуют скрытые переменные, лежащие в основе наблюдаемых вероятностей.

А. Эйнштейна поддерживал и Э. Шрёдингер, проиллюстрировавший своим знаменитым мысленным экспериментом «Кошка Шрёдингера» неполноту квантовой механики при переходе от субатомных систем к макроскопическим. Суть его заключается в следующем: допустим, что у нас есть ящик и кошка. В ящике имеется механизм, содержащий ядро атома радиоактивного элемента и счетчик Гейгера (устройство для обнаружения радиации и измерения ее уровня), связанный с капсулой с ядовитым газом. Параметры эксперимента таковы, что вероятность распада ядра за 1 час составляет 50 %. Кошка помещается в ящик, крышка ящика закрывается. Если ядро распадается, счетчик Гейгера срабатывает, открывается емкость с газом, кошка погибает. Если распада не произойдет, то кошка остается живой. Но пока ящик закрыт, мы ничего не знаем о состоянии кошки. Согласно квантовой механике, если над ядром атома не производится наблюдение, то его состояние описывается смешением двух состояний – распавшегося ядра и нераспавшегося ядра (это так называемый принцип суперпозиции), следовательно, кошка, сидящая в ящике и олицетворяющая собой ядро атома, и жива, и мертва одновременно. Если же ящик открыть, то экспериментатор может увидеть только какое-нибудь одно конкретное состояние. Иными словами, в квантовой механике нельзя узнать исходное квантовое состояние частицы (жива кошка или мертва) до того момента, когда будет проведено измерение (кошка в закрытой коробке), не проведя само измерение (не открыв коробки).

Но, увы, ни Эйнштейну, ни Шрёдингеру, ни какому-либо другому ученому вплоть до сегодняшнего дня не удалось создать эмпирически подтвержденную альтернативную теорию, избавленную от индетерминизма.

§ 2. Элементарные частицы – «кирпичики мироздания»

Итак, существование атома эмпирически подтверждено, структура его более или менее описана, принципы новой (квантовой) механики установлены. А что же дальше? А дальше следовало разобраться с тайной атомного ядра и теми силами, что действуют в микромире. Первооткрывателям микромира структура атома казалась весьма незамысловатой. Им представлялось, что все многообразие объектов во Вселенной построено всего лишь из трех видов частиц: в состав ядра атома любого химического элемента входят всего два вида частиц – протоны и нейтроны (хотя существование последних экспериментально было подтверждено немного позже), а еще один вид частиц – электроны, которые находятся вне ядра и вращаются по своим орбитам вокруг него. Однако уже с начала 1930-х гг. ученые в ходе экспериментов по изучению объектов микромира все чаще стали сталкиваться с фактами, никоим образом не вписывающимися в рамки модели атома Резерфорда – Бора.

Оказалось, что идея с движением электронов-шариков по орбитам совершенно несостоятельна: в мир атомов и элементарных частиц она пришла из макромира, где, как уже отмечалось, работают совершенно другие законы. Орбиты с электронами пришлось заменить так называемыми распределениями вероятностей местонахождения электрона – «облаками вероятности», причем в местах, где вероятность пребывания электрона больше, «облако» более густое, а где меньше – более прозрачное. А впоследствии физики-теоретики отказались и от этой модели, так как она не могла с необходимой степенью точности описать структуру атома и происходящие внутри него процессы. Атом со всеми его элементами превратился в систему сложных математических уравнений.

Кроме того, ученые выяснили, что в атоме, кроме уже известных протона и нейтрона, постоянно возникает и исчезает огромное количество частиц, причем их взаимодействие и воздействие на уже известные частицы играют исключительно важную роль в процессах микромира. К началу 1950-х гг. открытие и изучение этих элементарных частиц и особенностей их взаимодействий стало для физиков делом первостепенной важности. Для этого были сконструированы первые грандиозные установки – ускорители элементарных частиц, на которых стало возможным искусственно получать направленные, управляемые потоки частиц, двигающихся со скоростями, близкими к скорости света, и, следовательно, обладающих высокими энергиями. А уже к началу 80-х гг. прошлого века на физиков буквально обрушился поток элементарных частиц. Расщепляя атом при помощи разнообразных ускорителей, они каждый раз обнаруживали, что из него вылетают все новые и новые разновидности частиц. Лишь после нескольких лет работы этот «зоопарк частиц», как называли его сами ученые (современная наука, кстати, знает о существовании около 350 видов элементарных частиц и их античастиц), удалось хоть как-то упорядочить.

Поначалу все элементарные частицы считались неделимым пределом вещества, основой всех материальных объектов или физических тел. Но в скором времени стала понятной условность, относительность термина «элементарный», потому что выяснилось, что элементарные частицы, во-первых, вовсе не неделимы и совсем не просты, а, наоборот, представляют собой сложные микрообъекты с определенной структурой, то есть оказалось, что они никак не элементарны, и, во-вторых, их нельзя называть частицами в полном смысле этого слова. Тем не менее исторически сложившееся название используется учеными и по сей день.

Основными свойствами элементарных частиц являются масса, заряд, среднее время жизни и участие в тех или иных типах взаимодействий. Мы привыкли к тому, что у всех природных объектов есть масса, хотя бы маленькая. Но напомним, что мир атомов и элементарных частиц радикально отличается от привычного для нас макромира. И как бы странно это ни звучало, но существуют элементарные частицы, не имеющие массы, – это фотоны, глюоны и гипотетические частицы – гравитоны. Другие частицы по массе делятся на:

1) лептоны (греч. leptos – легкий), к которым относятся электроны, мюоны, тау-лептон и разные виды нейтрино;

2) адроны (греч. adros – крупный, массивный), подразделяющиеся на:

а) мезоны (греч. mesos – средний) – это, к примеру, пионы и каоны;

б) барионы (греч. barys – тяжелый), из них самыми известными широкой общественности являются протоны и нейтроны.

Существуют также особого рода «промежуточные бозоны», имеющие массу, – речь идет о W- и Z-бозонах.

Все известные частицы обладают положительным, отрицательным или нулевым электрическим зарядом. Каждой частице, кроме фотона и двух мезонов, соответствуют античастицы с противоположным зарядом, образующие антиматерию. Если частица материи и соответствующая ей частица антиматерии сталкиваются, то происходит огромный выброс энергии, а сами частицы преобразуются в какие-либо другие частицы. Это явление физики называют аннигиляцией. Например, результатом столкновения электрона и позитрона (антиэлектрона) может стать появление двух или трех фотонов.

По времени жизни элементарные частицы делятся на стабильные (те, для которых в настоящее время распады не обнаружены) и нестабильные (те, которые самопроизвольно распадаются за определенные промежутки времени). Стабильных частиц пять: фотон, две разновидности нейтрино, электрон и протон. Именно они играют важнейшую роль в структуре макротел. Все остальные частицы нестабильны. Они существуют, начиная с около 10–24 с и до приблизительно 15 минут (например, свободный, то есть находящийся вне ядра атома, нейтрон распадается за 880,0 ± 0,9 с – это около 14,7 мин.), после чего распадаются. Причем, элементарные частицы со средним временем жизни 10–22 – 10–24 с называются резонансами. Вследствие краткого времени существования они распадаются еще до того, как успеют покинуть атом или атомное ядро.

По величине спина (собственный момент импульса элементарной частицы) выделяют бозоны (частицы с целым спином, например: фотон, глюон, мезоны, бозон Хиггса) и фермионы (частицы с полуцелым спином, например: электрон, протон, нейтрон, нейтрино).

Кроме того, все элементарные частицы разделяются на составные – имеющие структуру (все адроны) и фундаментальные – бесструктурные, те, которые современной науке не удалось описать как составные. К последним относятся как уже известные нам лептоны, так и те «кирпичики», из которых состоят адроны. Называются эти «кирпичики» кварками (термин позаимствован из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану»), и уникальны они тем, что, во-первых, обладают дробным электрическим зарядом (2/3 заряда протона или 1/3 заряда электрона), а во-вторых, не способны находиться в свободном состоянии – их невозможно отделить друг от друга. Этот феномен получил название «пленение» или «заточение» кварков. А о том, что кварки реально существуют, можно судить только по свойствам адронов, в состав которых они входят. Современная наука предсказывает три группы кварков: первая группа включает в себя верхний (протонный) и нижний (нейтронный) кварки, и именно из них состоят единственные по-настоящему «долгоживущие» адроны – протон и нейтрон; вторая группа представлена странным и очарованным кварками; и наконец, третью группу образуют красивый и истинный кварки. Существование почти всех частиц, состоящих из различных комбинаций кварков, уже подтверждено экспериментально.

К фундаментальным частицам относятся также и так называемые калибровочные бозоны – частицы, являющиеся переносчиками фундаментальных взаимодействий, то есть тех взаимодействий, которые лежат в основе всех явлений, всех процессов, происходящих в природе. Современная наука выделяет следующие их виды: сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное взаимодействие. А все элементарные частицы в этой связи разделяются на те, которые участвуют в этих взаимодействиях, и те, которые участвуют в некоторых из них.

Сильное взаимодействие проявляется только в микромире, происходит на уровне атомных ядер и представляет собой взаимное притяжение и отталкивание их составных частей. Оно действует на расстоянии около 10–13 см. Сильное взаимодействие очень прочно связывает частицы, в результате чего возникают ядра атомов – наиболее прочные объекты в природе. В этом взаимодействии участвуют все виды кварков, а значит, и все адроны, а носителями его являются такие калибровочные бозоны, как глюоны.

Слабое взаимодействие, как и сильное, проявляется только в микромире. Оно действует на расстоянии от 10–15 до 10–22 см и связано, главным образом, с распадом частиц. По современным представлениям большинство частиц нестабильно именно из-за слабого взаимодействия. «Участниками» этого взаимодействия являются и кварки, и лептоны, а переносится оно W- и Z-бозонами.

Электромагнитное взаимодействие, в отличие от сильного и слабого, проявляется и в микромире, и в макромире, и в мегамире, оно играет решающую роль в структуре макромира. Это взаимодействие в тысячу раз слабее сильного, но действует на огромных расстояниях. В результате него электроны и атомные ядра соединяются в атомы, атомы – в молекулы, молекулы – в макротела и т. д. В этом взаимодействии участвуют почти все фундаментальные частицы (кроме нейтрино), а переносят его фотоны.

Гравитационное взаимодействие настолько мало, что, по сути, не проявляется в микромире. Оно проявляется в макромире и, особенно, в мегамире, играя первостепенную роль в структуре последнего. Это взаимодействие не учитывается в теории элементарных частиц. Хотя некоторые ученые предполагают, что есть в природе частицы – носители данного типа взаимодействия – гипотетические гравитоны. Но экспериментально их реальное существование современной наукой не подтверждено. В космических масштабах гравитационное взаимодействие имеет решающее значение, так как представляет собой не что иное, как всемирное тяготение (взаимное притяжение огромных космических объектов). Расстояние, на котором оно действует, неограниченно.

Рассмотренная выше модель устройства и функционирования мира атомов и субатомных частиц получила название стандартной модели. На сегодняшний день эта концепция является наилучшим образом отражающей наши представления о базовом материале, из которого построена Вселенная. Она же описывает, как именно материальные объекты образуются из этих фундаментальных компонентов, а также силы и механизмы взаимодействия между ними. Формирование стандартной модели на теоретическом уровне завершилось в середине 80-х гг. прошлого столетия после экспериментального подтверждения существования W- и Z-бозонов, а обнаружение летом 2012 г. бозона Хиггса завершило поиск предсказанных ею элементарных частиц.

§ 3. На пороге новой естественнонаучной парадигмы: возможна ли теория Великого объединения?

Как мы уже знаем, в XX в. все фундаментальные физические законы были сведены в две грандиозные теории: общую теорию относительности Эйнштейна, описывающую явления и процессы, происходящие в мегамире, и квантовую теорию, представленную стандартной моделью и интерпретирующую феномены мира атомов и субатомных частиц. Причем, эти теории никак не связаны друг с другом, используют разные математические аппараты, разные исходные положения, раскалывая единую Вселенную на две будто бы отдельные и чуть ли не противоположные друг другу области. Такое положение вещей совершенно не устраивало ученых-физиков. С момента создания А. Эйнштейном общей теории относительности ими овладела идея создать единую теорию – «Теорию всего» или, как ее еще называют, «Теорию Великого объединения», которая объединила бы все типы взаимодействий, обнаруживаемых в природе, в единую, всеобъемлющую и непротиворечивую систему, соединив тем самым теорию относительности и квантовую физику.

Одна из таких теорий была создана в 70-е гг. прошлого века Леонардом Сасскиндом, Йохиро Намбу и Холгером Нильсеном и получила название «теория струн». В ее основе лежит идея, согласно которой основой мироздания являются не разнообразные субатомные частицы, а одинаковые вибрирующие и бесконечно тонкие (фактически одномерные), закрученные в петли волокна – так называемые струны. Причем существуют струны на очень малых расстояниях, а именно – 10–33 см (так называемая «длина Планка», связанная с силой гравитации, величиной квантов и скоростью света).

Любая фундаментальная частица вещества порождается отдельной струной, является своего рода «нотой», исполняемой на этой струне. А различие между частицами связаны с тем, что струны совершают различные колебания – по-разному резонируют. Например, электрон представляет собой один вид колебания струны, а верхний или нижний кварк – другой. Это же относится и ко всем калибровочным бозонам, даже к гипотетической частице, переносящей гравитационное взаимодействие, – гравитону. И тем самым теория струн предлагает единый способ объяснения не только всех материальных объектов, но и всех видов взаимодействий в природе.

Специальная теория относительности говорит нам о том, что масса и энергия связаны друг с другом прямой пропорцией: чем больше масса, тем больше энергия и наоборот. Эта идея принимается теорией струн и преобразуется в ней в следующее положение: масса элементарной частицы определяется энергией колебания ее (частицы) внутренней струны. У более массивных частиц внутренние струны вибрируют интенсивнее, их амплитуды колебаний больше, чем у менее массивных. От амплитуды колебаний струн зависят и все остальные свойства элементарных частиц.

Таким образом, в теории струн «материал» всего вещества и всех взаимодействий является одним и тем же. А Вселенная представляется как своего рода «космическая симфония», сотканная из бесчисленного количества переплетенных между собой и образующих тем самым причудливый лабиринт вибрирующих струн. И все бы хорошо, но у этой теории есть одна весьма специфическая особенность: согласно математическим вычислениям, струны способны существовать и совершать колебания различной амплитуды только в десятимерном пространстве. Если попытаться сформулировать теорию струн для меньшего числа измерений, например привычного для нас четырехмерного пространства-времени, то ничего не выйдет.

Следует отметить, что в настоящее время теория струн представляет собой часть более масштабной теории, носящей название М-теории (теории мембран), которая включает в себя не только вибрирующие струны, но и такие объекты, как двумерные мембраны и трехмерные капли (также способные к колебаниям различной амплитуды), и оперирует уже одиннадцатью измерениями (десятью пространственными и одним временным). Но где же спрятаны эти добавочные измерения, почему они не доступны нашему восприятию, есть ли они вообще? Теоретики струнной концепции утверждают, что дополнительные измерения туго скручены и скрыты в складках пространства, причем струны способны наматываться на эти скрученные измерения, не переставая при этом вибрировать. Однако на сегодняшний день эмпирических данных, подтверждающих эту идею, как и собственно саму теорию мембран и, в частности, теорию струн, нет.

Наиболее сильным соперником теории струн является теория петлевой квантовой гравитации, предложенная в 70–80-е гг. XX в. И в теории относительности, и в квантовой физике, и в М-теории (в частности, в теории струн), впрочем, как и во всех более ранних физических концепциях, пространство и время считались гладкими и непрерывными. Создатели же теории петлевой квантовой гравитации (Ли Смолин, Тэд Джекобсон, Карло Ровелли и Абэй Аштекар) решили отказаться от этого традиционного для естествознания представления, предположив, что пространство, подобно материи, состоит из отдельных квантов-ячеек, причудливо соединенных друг с другом. Причем, существуют они на мельчайших гипотетически установленных расстояниях – 10–33 см (уже известная нам «длина Планка»), а их переплетения образуют то, что сторонники рассматриваемой теории представляют себе как спиновую сеть. Сами же кванты пространства они изображают соединенными между собой узлами.

Значения площади и объема пространства измеряются здесь в единицах, являющихся производными от «длины Планка». Наименьшая возможная площадь, отличная от нуля, равна примерно квадрату «длины Планка» (10–66 см2), а самый маленький отличный от нуля возможный объем – ее кубу (10–99 см3). Получается, что каждый кубический сантиметр пространства, согласно теории петлевой квантовой гравитации, содержит в себе около 1099 квантов объема. Эти частички настолько малы, что в кубическом сантиметре их оказывается больше, чем кубических сантиметров в видимой Вселенной (1085).

Но не только пространство состоит из определенных квантовых единиц площади и объема, время в теории петлевой квантовой гравитации также дискретно (разделяемо). Оно существует здесь как последовательность отдельных шагов или скачков, перестраивающих спиновую сеть, превращая ее в постоянно изменяющуюся, трансформирующуюся спиновую пену. И каждый из этих квантов-шагов равен «времени Планка», а это 10–43 с.

Кванты-ячейки пространства-времени, причудливо переплетаясь друг с другом, не только создают все многообразие фундаментальных частиц, но и порождают все виды взаимодействий, включая и гравитационное. И если в малых масштабах пространство-время представляет собой дискретную структуру, своего рода ткань мироздания, состоящую из отдельных волокон, то на больших оно плавно превращается в привычное для нас – гладкое и непрерывное.

Но, как и для М-теории, экспериментальных данных, подтверждающих правомерность теории петлевой квантовой гравитации, на современном этапе развития естествознания не обнаружено. Однако не исключено, что человечество стоит на пороге новой научной революции в естествознании, которая приведет к формированию новой естественнонаучной картины мира, основанной на М-теории, или на теории петлевой квантовой гравитации, или на какой-нибудь другой, пока еще не сформулированной теории, в рамках которой ученые смогут объединить квантовую физику и теорию относительности.

Поговорим о прочитанном

1. Когда и кем было эмпирически подтверждено реальное существование атома? Какие открытия, сделанные в физике в конце XIX и начале XX вв., разрушили представления об атомах как о неделимых частицах вещества?

2. Что представляет собой модель атома, предложенная Дж. Томсоном? Как устроен атом согласно модели Э. Резерфорда? Почему она называется планетарной? Каким образом Н. Бор усовершенствовал эту модель? Каким атом представляется современным ученым?

3. Какое открытие было сделано М. Планком? Что такое квант? В чем проявляется его корпускулярно-волновая природа? Какую теорию света разработал А. Эйнштейн на основе представлений о квантах?

4. В чем заключаются трудности изучения микромира? Что представляет собой корпускулярно-волновой дуализм микромира? В чем заключается суть принципа дополнительности Н. Бора и принципа неопределенности В. Гейзенберга?

5. Что такое элементарные частицы? Почему возможно утверждать, что термин «элементарный» не совсем подходит для них, равно как и термин «частицы»?

6. Каковы основные свойства элементарных частиц? На какие виды они делятся в зависимости от этих свойств? Что такое фундаментальная частица? Все ли элементарные частицы являются фундаментальными?

7. Какие типы взаимодействий существуют в природе по современным научным представлениям? Чем характеризуется каждый из них? Какие объекты в них участвуют?

8. В чем заключается основной недостаток современной естественнонаучной картины мира? Какие новые физические теории претендуют на то, чтобы стать теорией Великого объединения?

9. Каковы основные идеи М-теории и, в частности, теории струн?

10. В чем состоит суть теории петлевой квантовой гравитации?

Часть 4. Общая характеристика концепций живой природы

§ 1. Живая и неживая природа

Грандиозное многообразие окружающего нас мира распадается на две большие области: неживую и живую природу. Основные естественные науки, посвященные изучению неживой природы, – это астрономия, физика и химия. Исследованием живой природы занимается биология (от греч. bios – жизнь и logos – учение, наука). Интерес к познанию живой природы возник у человека очень давно, еще в первобытную эпоху, и был тесно связан с его важнейшими потребностями: в пище, лекарствах, одежде, жилье и т. п. Однако только в первых древних цивилизациях люди стали целенаправленно и систематически изучать живые организмы, составлять перечни животных и растений, населяющих разные регионы земли.

В настоящее время биология представляет собой целый комплекс наук о живой природе. Причем существуют различные классификации последних. Например, по объектам исследования биологические науки подразделяются на вирусологию, бактериологию, ботанику, зоологию и антропологию. По уровню организации живых объектов выделяются следующие науки: анатомия, посвященная изучению макроскопического строения животных; гистология, исследующая строение тканей; цитология, изучающая клетки, из которых состоят все живые организмы. По свойствам, или проявлениям живого, биология включает в свой состав: морфологию – науку о структуре или строении живых организмов; физиологию, которая изучает их функционирование; молекулярную биологию, исследующую микроструктуру живых тканей и клеток; экологию, рассматривающую образ жизни растений и животных и их взаимосвязи с окружающей средой; генетику, которая изучает законы наследственности и изменчивости живых организмов. Все эти классификации в известной степени условны и относительны и, как Вы заметили, пересекаются друг с другом в различных пунктах. Такая многоплановость комплекса биологических наук во многом обусловлена необычайным многообразием живого мира.