ЭССЕ
Ядерные силы и гравитация.
Я бы не стал раскладывать по полочкам и создавать некую иерархию вещей, процессов, сил и отыскивать их значение или где у них «верх», где «низ». Все перечисленные выше силы и процессы находят своё проявление на всех уровнях мироздания, а потому нельзя привязывать однозначно какие-то силы и взаимодействия к каким-то только им соответствующим классам систем. Поскольку здесь я рассматриваю только гравитацию в качестве основного предмета исследования, постольку меня будет интересовать вопрос: как проявляется гравитация в таких системах, например, как ядро, атом, молекула, химическое соединение, организм, социальная система, система взглядов и пр.
Ядро – это пока самая малая известная нам целостная система, обладающая призрачно малой величиной и огромной плотностью. Структура ядра атома, например, чрезвычайно проста. Ядро, как известно, состоит из нуклонов, то есть протонов и нейтронов, а также антипротонов. Известна масса протона и нейтрона. Протон обладает положительным электрическим зарядом, и поскольку антипротон имеет отрицательный электрический заряд, в целом ядро, как система, нейтрально. Чем больше заряд ядра тем больше нуклонов входит в него, или наоборот: чем больше нуклонов, тем больше заряд ядра. Ядро имеет пространственные характеристики, оно напоминает форму шара, но шаром в собственном смысле слова не является. Поскольку нейтрон в ядре нейтрален и не обладает никаким зарядом, он может свободно передвигаться в ядерном поле, не нарушая электромагнитной картины пространства, которое не является для ядра главной. Там действуют силы ядерные, а они в миллионы раз превышают силы электромагнитные.
Ядро, как наэлектризованная масса, вращается вокруг своей оси и имеет свой момент количества движения и свой магнитный момент. Практически ядро – это поле ядерных сил, но в то же время это и электромагнитное поле. Само ядро является электрически возбуждённой частицей, поскольку протон заряжен, а нейтрон нейтрален. Систему «ядро», таким образом можно рассматривать как единое целое, как своего рода мельчайшую «частицу». Здесь все протоны и нейтроны объединены в одну структуру, и на этом уровне действуют уже не электромагнитные, а ядерные силы. Однако существует критический уровень удержания протоном нейтрона. Когда этот уровень перейдён, начинается самораспад ядра. При цепной реакции самораспада возникает взрыв, в результате которого выделяется колоссальное количество энергии.
Структура атомного ядра, таким образом, очень проста. Ядро, образуя устойчивую связь, как бы слеплено из трёх основных компонентов: протон, положительно заряженная частица, большая по массе одного электрона в 1840 раз; нейтрон, нейтральная частица, с массой почти равной протону, но не имеющей электрического заряда; и антипротон, абсолютно равный по массе протону, но с противоположным ему зарядом. Взаимодействие в атомном ядре как системе идёт не по линии протон-нейтрон, хотя возможны и тут казусы, а между протоном и антипротоном. Какие силы действуют тут? То, что это ядерные силы и то, что это ядерные взаимодействия, общеизвестно, и этот факт ни о чём не говорит, кроме того, что это ядерные по своему уровню сложности силы. Но что это за силы по своему характеру? Если это система, которая может держаться только силами сцепления одних частиц с другими, то какое же надо усилие, чтобы держать в таком состоянии объединённые в ядре компоненты? При чрезвычайно малых расстояниях и размерах самих компонентов эти силы должны быть чудовищно великими. И это как раз те силы, которые мы называем силами притяжения, то есть гравитацией.
Сложность этого уровня движения материи обусловливает возникновение нового типа взаимосвязи. Находящиеся в системе протон и нейтрон, образующие нуклон, становятся для последующих атомно-молекулярных структур своеобразным ядерным фундаментом. Без него уже невозможна никакая другая постройка во Вселенной, но это совсем не значит, что всё в мире состоит из ядер и их частиц. Даже межзвёздное пространство, заполненное газообразной массой, не состоит из одних только ядер, и вообще не из ядер оно состоит. Время жизни протона бесконечно, его «странность» равна нулю, а это значит, что он не ведёт себя в системе «странно», как в условиях слабых взаимодействий, будучи компонентом взаимодействий сильных.
Основными элементами взаимодействия на этом уровне является переход одной или нескольких частиц в другие частицы. Фотон переходит в электрон и позитрон, создавая кирпичики для новой системы; электрон, излучая фотон, переходит в электрон и фотон; пион переходит в мюон и нейтрино; лямбда-частица переходит в протон и пион; и т.д. Этот процесс в микромире совершается бесконечно в пространстве, не имеющем конца и края. Но это лишь один, - не будем его называть первичным или низким, - уровень, поскольку во Вселенной в целом, не имеющей ни начала ни конца ни в пространстве, ни во времени нет таких понятий, как первичное, высокое или низкое.
Прежде чем говорить о взаимодействии элементов на этом, самом низком, известном нам, уровне мироздания, на ядерном уровне, нам надо обратиться к квантовой физике и попытаться понять, из чего складываются ядра атомов. (Ещё более низкий уровень – это элементарные частицы, но и они, как предполагают учёные, представляют собой соединения элементов, образуя целостные, устойчивые и неустойчивые системы Однако он, этот уровень, находится в самой начальной стадии разработки, и пока к этим системам применяется термин «элементарная частица», что предполагает её дальнейшую нерасчленённость, то есть невозможность дальнейшего деления её на составные части). Самым простым ядром можно считать самое лёгкое ядро самого простого атома – атома водорода. Оно, как доказали экспериментаторы, состоит из одного протона, одного нейтрона и антипротона. Поскольку все эти частицы находятся в связке, они составляют целостную, причём чрезвычайно устойчивую, живущую миллиарды лет, материальную неорганическую систему.
Многие выдающиеся физики и популяризаторы физической науки были заняты описанием свойств ядра атома водорода, опираясь на взаимодействия элементарных частиц, взаимодействующих между собой внутри этой системы – системы «атомное ядро». Среди всего многословия, которыми изобилуют эти описания, довольно часто рядом с такими понятиями как «заряд», «поле», «сила», «энергия», «масса», «взаимодействие», «слияние» и «распад», можно встретить понятия «притяжение» и «отталкивание». Несмотря на их сравнительно малое употребление в тексте, чувствуется, что они как бы незримо присутствуют в каждом предложении, определяя всю нить повествования, иногда очень увлекательного. Они приводятся каждый раз в нужном месте, чтобы показать читателю, что все эти «ядерные системы» со всеми их электрическими зарядами, с напряжённостью полей, со всем удивительным взаимодействием элементарных частиц друг с другом и с гипотетическим центром масс в самом ядре, были бы пустой фразой, если бы мысленно каждый раз не подставить для объяснения самих процессов сил притяжения, то есть, грубо говоря, гравитации, и сил отталкивания, то есть центробежных сил. Когда мы уточняем «грубо говоря», мы имеем в виду, что для таких тонких материй, как атомные ядра, понятие «гравитации», в обиходе связанное с измерением тяжести предмета и его весом, не звучит, во всяком случае, режет слух. Но говорить в контексте о притяжении частиц друг другом, или о гравитации, - не всё ли равно? Как сказал бы сам И.Ньютон, здесь имеет место лишь словесная эквилибристика.
Чтобы не быть голословным, я обращусь к книге всем известных талантливых популяризаторов физической науки, к их книге, четырежды переизданной и, наверное, не в последний раз. Для данного момента – это глава «Ядерные силы». Она не так велика, чтобы не найти там цитированного мною материала, поэтому специальных ссылок на страницы я делать не буду. Первый факт, на котором мы остановили более или менее пристальное внимание, это долговечность ядер, а, точнее сказать, присутствующих в них протонов и антипротонов. Чем объясняется эта их живучесть? Объяснить это можно только их «вечным покоем», их абсолютным равновесием. Однако, как выясняется, устойчивость протона вовсе не связана с его «покоем» в обыденном понимании, поскольку в самом ядре разворачиваются процессы, в которых и протон, и антипротон не могут не принимать самого деятельного участия. Иное дело - гипотетическая почти, чрезвычайно редкая возможность встречи протона и антипротона на короткой дистанции, достаточно короткой, чтобы две эти частицы исчезли, аннигилировали, превратив протон в протон и фотон. Нормой можно считать не это явление, и тем более не «вечный покой», а вечное движение частиц, характер которого и обеспечивает вечную стабильность системы. В этом случае мы имеем дело с динамическим равновесием. Примерно то же самое мы можем сказать и о всей Метагалактике, о Вселенной в целом.
За счёт чего же обеспечивается динамическое равновесие такой системы, как ядро? Авторы книги, словно забыв о третьем законе механики, пускаются искать эту причину в самих частицах, и сначала указывают на присутствие в ядре нейтральной, но почти равной по массе протону, элементарной частице - нейтрону. Нейтрон играет здесь, действительно, выдающуюся роль. В особых случаях, в тяжёлых элементах типа радия или урана они способны создать далеко идущие ситуации и даже привести к распаду самого ядра. Но сами они ничего не объясняют, кроме того, что являются довольно неустойчивыми частицами, живущими всего лишь около 17 минут, и что могут, свободно двигаться, проникая сквозь любую толщу вещества, если, конечно, не успеют там поглотиться.
В чём же тогда дело? А в том, что на линии «радиуса взаимодействия» частиц в этом чрезвычайно плотном узелке материи нейтроны постоянно меняют силы притяжения и отталкивания, равновесие которых в идеальном случае и привело бы к тому самому «вечному покою», в котором как известно никакого движения не может быть. Эти постоянные перепады уплотнения вещества и разрежённости, эти постоянные перепады давления с одной и с другой стороны, создающие феномен притяжения и отталкивания дают начало процессу – движению материи, как способу её существования, усложнения, вращения и превращения.
Нельзя сказать, чтобы авторы указанной книги проигнорировали полностью этот феномен. Говоря о посредниках в передаче взаимодействий в самом ядре, они пишут: «Для стороннего наблюдателя будет представляться так, как если бы действовали силы притяжения». Но если бы действовали только силы притяжения… Наблюдая процесс радиоактивности, мы воочию сталкиваемся и с силами отталкивания. В чем причина «силы отталкивания»? Они, оказывается, тоже присутствуют в системе. Не могут не присутствовать, иначе бы никакой системы не получилось. Поскольку в альфа-частице 2 нейтрона, то есть половина системы не имеет заряда, отталкивание даже в чисто протонном выражении в 2 раза больше. Это не относится к пи-мезону, который создаёт «фон притяжения».
«Немаловажную роль играет и то, что между протонами существует электрическое отталкивание. Хотя это отталкивание значительно слабее ядерного (мезонного) притяжения, всё же ядро становится тем более крепко спаянной, а, значит, и устойчивой, - системой, чем больший удельный вес в нём имеют нейтроны». Так сохраняется равновесие. Какие же силы выталкивают альфа-частицу? Конечно, она несёт электрический заряд, причём того же знака, что и всё ядро, и, следовательно, между ядром и альфа-частицей должно существовать отталкивание. Но внутри ядра оно значительно перекрывается ядерным (мезонным) притяжением… Однако, если силы притяжения больше, чем отталкивания, каким образом может произойти распад?» «Здесь за счёт разброса энергий появляется возможность вырваться из плена ядерных притяжений и вылететь за пределы ядра. И как только это произошло, силы притяжения резко падают, - ведь они короткодействующие. И здесь господствующими становятся силы отталкивания, которые убывают гораздо медленнее». И ещё: «У электрических сил отталкивания отсутствует насыщение. Каждый протон взаимодействует со всеми остальными, сколько бы их ни было. По мере возрастания числа протонов силы отталкивания становятся всё более значительными».
Далее идёт описание процесса деления ядер, и тут, оказывается, не обходится дело без вмешательства сил притяжения и отталкивания, сил, которые, впрочем, вполне можно было считать производными самого процесса, и следствие идёт впереди причины. Как будто в ядре должны действовать только ядерные силы, которые превосходят электрические в сотни тысяч раз. Откуда они берутся здесь, если, с обыденной точки зрения, развитие идёт от микрочастицы к ядру и от ядра к атому и далее, к молекуле? Дело в том, что тут нет наших временных рамок, как нет ни верха, ни низа, ни прошлого, ни будущего – Вселенная не только бесконечна, но и вечна. А потому в ядре действуют и электрические силы, поскольку ядро, как целостная система, не является абсолютно отгороженной от той системы, составной частью которой, - причём главной частью, - она является. Этой новой системой является система «атом».
Отсюда, - как это ни парадоксально, - в самом атомном ядре существуют силы отталкивания. Вот как это объясняют наши учёные. «По мере возрастания числа протонов силы отталкивания становятся всё более значительными. Скомпенсироваться они могут только за счёт появления в ядре всё большего и большего количества нейтронов, не чувствующих энергетического отталкивания и в то же время вносящих свою долю в ядерное притяжение. Чтобы это притяжение могло расти быстрее электрического отталкивания, прослойки нейтронов должны становиться от ядра к ядру всё значительнее. Ведь каждый протон притягивается отнюдь не всеми, а только ближайшими к нему частицами».
Но при каждом делении ядра осколки приобретают огромные энергии – «электрическое отталкивание с колоссальной силой отбрасывает их друг от друга». «Выделяющиеся при этом нейтроны беспрепятственно (ведь они не испытывают электрического отталкивания) влетают в соединения ядра». Так начинается цепная реакция. Поскольку количество протонов в ядрах по мере движения увеличивается медленнее, чем число нейтронов, ядра тяжёлых элементов приобретают способность самораспада. Силы притяжения и отталкивания задействованы и при слиянии ядер. Почему возможно слияние лёгких ядер? Потому что, чем больше в ядре протонов, тем труднее преодолеть электрическое отталкивание.
«А как же электрическое отталкивание? Спросит читатель. Разумеется, оно существует. Более того, из-за этого отталкивания очень трудно сблизить два дейтона, то есть ядра тяжёлого водорода. Но, оказывается. Если всё же удаётся преодолеть электрические силы и настолько близко свести дейтоны, то тут уже вступает в дело ядерное притяжение, которое совершенно подавляет отталкивание. На первый взгляд, проще всего добиться слияния нейтронов. Ведь между ними действуют только силы притяжения. Но нейтроны невозможно хранить, поскольку они нестабильны.
Тайна действия и взаимодействия внутри атома - ядерные силы - также до сих пор нераскрыта. Мы знаем, из чего состоят атомные ядра, но не имеем законченной теории ядерных сил и поэтому не можем предсказать теоретически с полной определённостью, насколько устойчива та или иная комбинация протонов и нейтронов. Природа ядерных сил очень сложна. Например, известно, что ядерные силы между двумя частицами зависят от того, параллельны их спины или нет. Уже было упомянуто, что нейтрон и протон притягивают друг друга с силой, достаточной для образования связной системы только в случае, если их спины параллельны. Когда спины параллельны, силы между частицами не только притягивают их друг к другу, подобно электрическим силам между двумя зарядами, но и стремятся расположить их так, чтобы соединяющая их линия стала параллельной направлению спинов.
Атом, - как система, - и гравитация.
Атом, как частица, электрически нейтрален и стабилен. Время жизни его не ограничено. «Притягивая противоположно заряженные частицы – электроны, обладающие минимальной массой покоя, равной 1, нуклон формирует устойчивую и регулируемую систему – атом». Природа атома зависит от ядра. Мы никогда не можем увидеть атом непосредственно, какой бы самый сильный микроскоп мы ни изобрели. Тем не менее, атом это реальный физический объект, а не фикция, и как система, он принадлежит к особому классу неорганических микросистем, в которых нет никаких компонентов, обладающих свойствами вещества. Правда, это не бесспорное утверждение. Р.Пайерлс, например и другие авторы, считают нужным подчеркнуть, что вещество «состоит из атомов». (Р.Е.Пайерлс. Законы природы. М., 1962, с. 213, 307). Таким образом, вторгаясь в эту систему, мы переходим на новый, атомный уровень движения материи. Что же из себя представляет атом, как система?
Прежде чем приняться за рассмотрение этого вопроса в интерпретации современной атомной физики, вернёмся к атомистической теории древнегреческих мыслителей, представленной, прежде всего, Левкиппом и Демокритом. Мы представим эту теорию в изложении Вернера Гейзенберга, человека, как будто бы далёкого от философии. Понятие "атом" много старше естествознания нового времени. Оно имеет свои истоки в античной натурфилософии, являясь центральным понятием материализма Левкиппа и Демокрита. С другой стороны, современное понимание атомных явлений имеет весьма малое сходство с пониманием атома в прежней материалистической философии. Более того, можно сказать, что современная атомная физика столкнула естествознание с материалистического пути, на котором оно стояло в XIX веке. Поэтому было бы интересно сопоставить становление понятия атома в греческой философии и его понимание в современной науке.
Идея о существовании последних, наименьших неделимых частиц материи возникла в тесной связи с развитием понятий материи, бытия и становления, характеризующих первый период греческой философии. Этот период начался в VI веке до н. э. с Фалеса, основателя милетской школы, который, согласно Аристотелю, считал, что вода есть материальная основа всех вещей. Каким бы странным ни казалось это высказывание, оно, как подчеркнул Ницше, выражает три основные философские идеи. Во-первых, это высказывание содержит вопрос о материальной основе всех вещей. Во-вторых, оно содержит требование рационального ответа на этот вопрос без ссылки на мифы и мистические представления. В-третьих, оно содержит предположение о возможности понять мир на основе одного исходного принципа.
Высказывание Фалеса было первым выражением идеи об основной субстанции, об основном элементе, из которого образованы все вещи. В этой связи слово"субстанция", конечно, не имеет еще четкого материалистического смысла, который в настоящее время приписывается этому слову. В это понятие о субстанции включалось и понятие жизни; согласно Аристотелю, Фалес также утверждал, что все вещи "полны богов". Все это имеет отношение и к материальной основе вещей. Нетрудно представить, что Фалес пришел к своим взглядам главным образом путем метеорологических наблюдений. Очевидно, что среди множества вещей именно вода может принимать самые разнообразные формы и быть в самых разнообразных состояниях. Зимой она становится льдом и снегом. Она может превратиться в пар. Из нее состоят облака Она превращается в землю, где река образует свою дельту, и она в виде родника может образоваться из земли. Вода является условием всякой жизни. Следовательно, вообще если имеется что-либо, подобное основному элементу, основной материи, то естественно считать в качестве основного элемента воду.
Идея первоматерии (основного вещества) развивалась Анаксимандром - учеником Фалеса. Анаксимандр отрицал, что первоматерией может быть обыкновенная вода или какая-нибудь другая известная субстанция. Он учил, что первоматерия бесконечна, вечна, неизменна и заполняет собой весь мир. Эта первоматерия преобразуется в различные, известные нам из опыта субстанции. Согласно Теофрасту, Анаксимандр считал, что из чего возникают вещи, в то же самое они должны и вернуться, согласно справедливости, ибо за несправедливость они должны нести наказание в установленное время. В этой философии решающую роль играет антитеза бытия и становления. Первоматерия - неизменное, бесконечное, недифференцированное бытие - в процессе становления принимает разнообразные формы, пребывающие в непрерывной, вечной борьбе. Процесс становления рассматривается как некоторое ограничение, уменьшение бесконечного бытия, как разрушение в борьбе, как проклятие, которое в конце концов искупается возвратом в невещественное бытие (неопределенность). Борьба, о которой идет речь, есть противоположность между горячим и холодным, между огнем и водой, между влажным и сухим и т. п. Временная победа одного над другим является несправедливостью, которая в установленное время приводит к искуплению. Согласно Анаксимандру, существует вечное движение, непрерывное творение и разрушение миров - из бесконечного в бесконечное.
Для сравнения античной философии с нашими современными проблемами, пожалуй, представляет интерес, что в современной атомной физике в новой форме возникает проблема: является ли первоматерия одной из известных субстанций или она нечто их превосходящее? В наше время пытаются найти основной закон движения материи, из которого могут быть математически выведены все элементарные частицы со своими свойствами. Это фундаментальное уравнение движения может быть отнесено или к волнам известного вида, например протонным или мезонным, или к волнам принципиально иного вида, не имеющим ничего общего с волнами известных элементарных частиц. В первом случае это означало бы, что все множество элементарных частиц может быть объяснено с помощью нескольких "фундаментальных" "элементарных частиц".
Фактически в последние два десятилетия теоретическая физика главным образом исследует эту возможность. Во втором случае все многообразие элементарных частиц объясняется некоторой универсальной первоматерией, которую можно назвать энергией или материей. В этом случае ни одна из элементарных частиц принципиально не выделяется среди других в качестве фундаментальной частицы. Последняя точка зрения соответствует доктрине Анаксимандра, и я убежден, что такой взгляд правилен и в современной физике.
Однако вернемся снова к греческой философии. Третий милетский философ, Анаксимен, по всей вероятности ученик Анаксимандра, учил, что первоматерией, из которой состоит все, является воздух. Он считал, что так же как наша душа есть не что иное, как воздух, и нас объединяет, так дуновение и воздух объединяют весь мир. Анаксимен ввел в милетскую философию идею, что причиной превращения первоматерии в другие субстанции является процесс сгущения и разрежения. В то время было, конечно, известно о превращении водяного пара в облако, а о различии между водяным паром и облаками еще не знали.
В философии Гераклита первое место заняло понятие становления. Гераклит считал первоматерией движущийся огонь. Трудность соединения идеи единого принципа с наличием бесконечного превращения явлений разрешалась Гераклитом посредством предположения о том, что непрерывно происходящая борьба между противоположностями и есть своего рода гармония. Для Гераклита мир одновременно и единое и многое, именно напряжение противоположностей образует единство целого. Он утверждал: борьба есть всеобщая основа всякого бытия, и эта борьба есть одновременно уравновешивание; все вещи возникают и снова исчезают в процессе борьбы. Если окинуть взором греческую философию с ее возникновения до момента, когда появилась философия Гераклита, то легко увидеть, что с самого начала она несла в себе противопоставление понятий единого и многого.
В наших представлениях мир раскрывается как бесконечное многообразие вещей и событий, цветов и звуков. Но, чтобы его понять, необходимо установить определенный порядок. Порядок означает выяснение того, что тождественно. Он означает единство. На основании этого возникает убеждение, что должен существовать единый принцип; но в то же время возникает трудность, каким путем вывести из него бесконечное многообразие вещей. Естественный исходный пункт: существует материальная первопричина вещей, так как мир состоит из материи. Однако при доведении до логического конца идеи о принципиальном единстве приходят к бесконечному неизменному, безсубстанциональному «бытию», которое само по себе не может объяснить все бесконечное многообразие вещей безотносительно к тому, считаем ли мы это бытие материальным или нет. Отсюда полярность бытия и становления и, в конце концов, идея Гераклита, что основной принцип -- это изменение, вечное превращение, которое, по словам поэта, обновляет мир. Но само превращение не является материальной причиной. Этим объясняется, что в философии Гераклита материальная причина представлена в виде огня. Огонь как первоэлемент является одновременно и материей и движущей силой.
Мы теперь можем сказать, что современная физика в некотором смысле близко следует учению Гераклита. Если заменить слово «огонь» словом «энергия», то почти в точности высказывания Гераклита можно считать высказываниями современной науки. Фактически энергия это то, из чего созданы все элементарные частицы, все атомы, а потому и вообще все вещи. Одновременно энергия является движущим началом. Энергия есть субстанция, ее общее количество не меняется, и, как можно видеть во многих атомных экспериментах, элементарные частицы создаются из этой субстанции. Энергия может превращаться в движение, в теплоту, в свет и электрическое напряжение. Энергию можно считать первопричиной всех изменений в мире. Однако более детальное сравнение греческой философии с современными естественнонаучными представлениями будет осуществлено ниже.
Греческая философия в учении Парменида на некоторое время возвратилась к понятию "единого". Парменид жил в Элее. в южной Италии. По-видимому, его важнейшим вкладом в греческую философию является введение им в метафизику одного чисто логического аргумента. Согласно этому аргументу, нельзя знать того, чего нет; не может существовать то, что в то же время нельзя выразить; одно и то же - то, что может быть немыслимо, и то, что может существовать. Поэтому существует только единое и нет никакого становления и уничтожения На основании логических соображений Парменид отрицал существование пустого пространства. Так как всякое изменение предполагает понятие пустого пространства, то он отрицал как иллюзию и всякое изменение.
Однако философия не могла долго останавливаться на этих парадоксах. Эмпедокл перешел от монизма к одной из разновидностей плюрализма. Чтобы устранить трудность, заключающуюся в том, что ни один из первоэлементов не дает достаточной основы для объяснения многообразия вещей и событий, он рассматривал четыре основных элемента - землю, воду, воздух и огонь. Элементы соединяются и разделяются под воздействием любви и вражды. Любовь и вражду, которые обусловливают вечное изменение, и четыре первоэлемента он представлял как нечто телесное. Эмпедокл следующим образом описывал происхождение мира: сначала существовала бесконечная сфера единого. Последнее утверждение совпадает с подобным утверждением философии Парменида. В первоматерии Эмпедокла в отличие от первоматерии Парменида смешаны под влиянием любви четыре «корня», четыре первоэлемента. Когда любовь отступает и наступает вражда, элементы отчасти разделяются, отчасти снова объединяются. Наконец элементы полностью разделяются, и любовь совершенно исчезает из мира. Затем любовь снова наступает и соединяет элементы, и вражда исчезает. Так что опять все возвращается в первоначальное состояние. Учение Эмпедокла, хотя в нем большую роль играют не очень ясные понятия любви и вражды, представляет в известной мере поворот в греческой философии к более конкретным и в этом смысле материалистическим представлениям. Четыре элемента являются не столько основными началами, сколько материальными субстанциями. Этим впервые выражается мысль, что соединение и разделение нескольких принципиально различных субстанций объясняет бесконечное многообразие явлений. Плюрализм будет всегда казаться неудовлетворительным тем, кто привык думать последовательно (принципиально). Плюрализм представляет собой весьма разумный компромисс, устраняющий трудности монизма и в то же время допускающий определенный порядок.
Следующий шаг в направлении к понятию атома был сделан Анаксагором, современником Эмпедокла. Он жил около 30 лет в Афинах, по всей вероятности в первой половине V века до н. э. Анаксагор развивал идею, что все изменение в мире происходит благодаря соединению и разъединению различных элементов. Он считал, что существует бесконечное многообразие бесконечно малых «семян», из которых состоят все вещи. Эти семена не имеют отношения ни к одному из четырех элементов Эмпедокла. Напротив, существует бесконечное множество семян. Семена соединяются и разъединяются, и таким образом происходит изменение. Учение Анаксагора впервые дало геометрическое толкование выражению «соединение»: так как он говорил о бесконечно малых семенах, то их соединение можно представить как соединение двух песчинок разного цвета. Семена могут изменяться в числе и в относительном положении. Анаксагор полагал, что все семена имеются во всех телах, но изменяется только их отношение от тела к телу. Анаксагор утверждал, что все вещи во всем, и невозможно им полностью разделиться, но все вещи имеют некоторую часть всего. Вселенная Анаксагора создается не посредством любви и вражды, а посредством «нуса», что в переводе, примерно, означает «ум».
Для перехода от философии к понятию атома необходим был только один шаг, и этот шаг был сделан Левкиппом и Демокритом из Абдеры. Полярность бытия и небытия в прежней философии была заменена полярностью «заполненного» и «пустого». Бытие не есть только единое; оно может бесконечно повторяться. Оно атом, мельчайшая неделимая частица материи. Атом вечен и неразложим, но он обладает конечной величиной. Движение невозможно без существования пустого пространства между атомами. Так впервые в истории была выражена мысль о существовании в качестве первичных кирпичей наименьших частиц материи, мы бы сказали -- элементарных частиц. Представление об атоме (неделимом) сводилось к тому, что материя состояла не только из заполненного, но и из пустого, а именно из пустого пространства, в котором движутся атомы.
Логическое обоснование возражения против пустого пространства, против того, что небытие не может существовать, просто игнорировалось на основании опыта. С точки зрения современной науки мы бы сказали, что пустое пространство между атомами Демокрита - это не ничто; оно является носителем геометрии и кинематики и делает возможным порядок и движение атомов. До сих пор возможность пустого пространства осталась нерешенной проблемой. В общей теории относительности Эйнштейна показано, что геометрия и материя взаимно обусловливают друг друга. Такой ответ соответствует взгляду, представляемому во многих философских системах и заключающемуся в том, что пространство определяется протяженной материей. Демокрит сохранил представление о пустом пространстве для того, чтобы иметь возможность объяснить изменение и движение. Атомы Демокрита суть та же самая субстанция, которая прежде обладала одним свойством - «быть»; но они имеют различную величину и форму. Поэтому их можно считать делимыми в математическом, а не в физическом смысле. Атомы могут двигаться и занимать различное положение в пространстве. Но они не обладают никакими другими физическими свойствами. У них нет ни цвета, ни запаха, ни вкуса. Свойства материи, воспринимаемые нашими органами чувств, согласно этому взгляду создаются путем расположения атомов в пространстве и их движения. Подобно тому как комедия и трагедия могут быть написаны одними и теми же буквами алфавита, так и бесконечное многообразие событий в мире реализуется посредством одних и тех же атомов благодаря их движению и конфигурации. Этим объясняется, что в развитии атомистической философии геометрия и кинематика, обусловленные пустотой, имели большее значение, чем чистое бытие. Как известно, Демокрит утверждал, что только кажется, что вещи имеют цвет; только кажется, что они сладкие или горькие. В действительности существуют только атомы и пустота. Атомы в философии Левкиппа не двигались просто случайно. Левкипп, по-видимому, полностью исходил из детерминизма, ибо, как известно, он говорил, что ничто не возникает из ничего, а все - из определенной причины и необходимости. Атомисты не дали никакого объяснения происхождения и причины первого толчка, вызывающего первоначальное движение атомов. Это хорошо согласуется с их положением о причинном описании движения атомов. Причинность всегда объясняет последующие события через предыдущие, но никогда не может объяснить исходное начало. В дальнейшем основные идеи атомического учения частично были восприняты последующими греческими философами, частично - изменены.
Для сравнения с современной физикой атома представляет интерес понимание материи Платоном, высказанное им в диалоге «Тимей». Платон не был атомистом. По свидетельству Диогена Лаэртского, Платон до такой степени не одобрял философию Демокрита, что у него было желание сжечь все его книги. Но Платон в своем учении соединил представления, близкие атомистам, с представлениями пифагорейской школы и философией Эмпедокла. Школа пифагорейцев была связана с орфическим культом, которому покровительствовал Дионис. Именно в пифагорейской школе установлена взаимосвязь между религией и математикой, которая начиная с того далекого времени оказывала сильнейшее влияние на человеческое мышление. По-видимому, пифагорейцы впервые осознали творческую силу математики. Их открытие, что две струны производят гармоническое звучание при условии, если их длины находятся в определенном рациональном отношении, показало им значение математики для понимания явлений природы. Собственно, для них дело заключалось не столько в рациональном понимании. Для них математическое отношение длин струн создавало гармонию звуков. Таким образом, в учении пифагорейцев было много мистицизма, для нас почти непонятного. Но, сделав математику частью своей религии, они затронули решающий пункт в развитии человеческого мышления. Английский философ Б. Рассел так сказал о Пифагоре: «Я не знаю ни одного человека, который бы оказал такое влияние на человеческое мышление, как Пифагор».
Платон знал о пяти правильных геометрических телах, открытых пифагорейцами, и о том, что их можно сопоставить с элементами Эмпедокла. Наименьшие части элемента земли он ставил в связь с кубом, наименьшие части элемента воздуха - с октаэдром, элементы огня - с тетраэдром, элементы воды - с икосаэдром. Не было элемента, соответствующего додекаэдру. Здесь Платон сказал, что существует еще пятый элемент, который бог использовал, чтобы создать вселенную. Правильные геометрические тела в некотором отношении можно сравнить с атомами; однако Платон категорически отрицал их неделимость. Он конструировал свои правильные тела из двух видов треугольников: равностороннего и равнобедренного прямоугольного. Соединяя их, он получал грани правильных тел. Этим объясняется частичное превращение элементов друг в друга.
Правильные тела можно разложить на треугольники, а из этих треугольников можно построить новые правильные тела. Например, тетраэдр и два октаэдра можно разложить на 20 равносторонних треугольников. Эти последние можно вновь соединить и получить икосаэдр, то есть один атом огня и два атома воздуха в сочетании дают один атом воды. Треугольники нельзя считать материей, так как они не имеют пространственного протяжения. Только в том случае, если треугольники объединены в правильные тела, возникает частица материи. Поэтому наименьшие частицы материи не являются первичными образованиями, как это имело место у Демокрита, и они представляют собой математические формы. Понятно, что в этом случае форма имеет большее значение, чем вещество, из которого форма состоит или в которой оно выявляется.
Теперь, после краткого обзора развития греческой философии вплоть до формирования понятия атома, мы снова возвратимся к современной физике и спросим, как наше современное понимание атома и квантовая теория относятся к развитию античной натурфилософии. Исторически слово «атом» в физики и химии нового времени было связано с самого начала с ложным объектом. Это произошло в .XVII веке, когда началось возрождение наук. В то время атомами именовались части химического элемента, которые с точки зрения современной науки являются довольно сложными образованиями. Единицы, еще меньшие, чем атом химического элемента, сегодня называются элементарными частицами. И если что из современной физики подлежит сравнению с атомами Демокрита, так это элементарные частицы: протон, нейтрон, электрон, мезон. Демокриту было совершенно ясно, что если атомы посредством своего движения и конфигурации объясняют свойства материи - такие, как цвет, вкус, запах, - то сами они не могут обладать этими свойствами. Поэтому Демокрит лишил атомы этих свойств, и атом у Демокрита представляет собой довольно абстрактную единицу материи. Атом у Демокрита обладает свойством существования и движения, имеет форму и пространственное протяжение. Без этих свойств было бы трудно говорить об атоме. Отсюда следует, что понятие «атом» не объясняет геометрическую форму, пространственное протяжение и существование материи, поскольку эти свойства предполагаются и ни к чему более первичному не сводятся. Современное понимание элементарных частиц в решении этих вопросов является более последовательным и радикальным. Например, мы очень просто и легко употребляем слово «нейтрон». Но мы не в состоянии дать никакого определенного образа нейтрона и не можем сказать, что, собственно, мы понимаем под этим словом. Мы пользуемся различными образами и представляем нейтрон то как частицу, то как волну или волновой пакет. Но мы знаем, что ни одно из этих описаний не является точным. Очевидно, нейтрон не имеет цвета, запаха, вкуса. Тем самым он подобен атомам греческой философии. Но элементарные частицы в некотором отношении лишены и других свойств. Обычные представления геометрии и кинематики о частице, такие, как форма или движение в пространстве, не могут применяться в отношении элементарных частиц непротиворечивым образом. Если хотят дать точное описание элементарной частицы (здесь мы делаем ударение на слове «точное»), то единственное, что может быть пригодно в качестве этого описания, - это функция вероятности. Отсюда делают вывод, что вообще если речь идет о «свойстве», то свойство «быть» не подходит без ограничения к элементарной частице. Есть только тенденция, возможность «быть». Поэтому элементарные частицы современной физики значительно абстрактнее, чем атомы у греков и именно по этой причине они представляют более подходящий ключ для понимания природы материи.
В философии Демокрита все атомы состоят из одной и той же субстанции материала, поскольку вообще здесь можно применить это слово. Элементарные частицы современной физики имеют массу. По теории относительности масса и энергия, в сущности, одно и то же, и поэтому можно сказать, что все элементарные частицы состоят из энергии. Таким образом, энергию можно считать основной субстанцией, первоматерией. Фактически она обладает существенным свойством, принадлежащим понятию субстанции: она сохраняется. На этом основании, как уже упоминалось, представления современной физики очень сходны с представлениями Гераклита, если только элемент "огонь" интерпретировать как энергию. Энергия есть движущее. Она рассматривается как конечная причина всех изменений и может превращаться в материю, теплоту и свет. Борьба противоположностей, характерная для философии Гераклита, находит здесь свой прообраз во взаимодействии различных форм энергии.
В философии Демокрита атомы являются вечными и неразложимыми единицами материи: они не могут превращаться друг в друга. Современная физика выступает против положения Демокрита и встает на сторону Платона и пифагорейцев. Элементарные частицы не являются вечными и неразложимыми единицами материи, фактически они могут превращаться друг в друга. При столкновении двух элементарных частиц, происходящем при большой скорости, образуется много новых элементарных частиц; возникая из энергии движения, столкнувшиеся частицы могут при этом исчезнуть. Такие процессы наблюдаются часто и являются лучшим доказательством того, что все частицы состоят из одинаковой субстанции - из энергии. Но сходство воззрений современной физики с воззрениями Платона и пифагорейцев простирается еще дальше. Элементарные частицы, о которых говорится в диалоге Платона «Тимей», ведь это в конце концов не материя, а математические формы. "Все вещи суть числа"- положение, приписываемое Пифагору. Единственными математическими формами, известными в то время, являлись геометрические и стереометрические формы, подобные правильным телам и треугольникам, из которых образована их поверхность. В современной квантовой теории едва ли можно сомневаться в том, что элементарные частицы в конечном счете суть математические формы, только гораздо более сложной и абстрактной природы. Греческие философы думали о статических, геометрических формах и находили их в правильных телах. Естествознание нового времени при своем зарождении в XVI и XVII веках сделало центральной проблемой проблему движения, следовательно, ввело в свое основание понятие времени. Неизменно со времен Ньютона в физике исследуются не конфигурации или геометрические формы, а динамические законы. Уравнение движения относится к любому моменту времени, оно в этом смысле вечно, в то время как геометрические формы, например, орбиты планет, изменяются. Поэтому математические формы, представляющие элементарные частицы, в конечном счете должны быть решением неизменного закона движения материи.
Понимание атома, как целостной системы, начинается с открытия первой элементарной частицы, которая была названа электроном. В 1896 году Беккерель открыл явление самопроизвольного испускания лучей соединением урана, что навело на мысль физиков о самопревращении атомов. Это же явление затем было обнаружено в наиболее полном виде у радия, а некоторое время спустя Э.Резерфорд доказал, что эти лучи - потоки частиц, которые были названы тремя греческими буквами – альфа, бета и гамма. Ещё ранее были открыты Рентгеном так называемые рентгеновские лучи, но гамма-лучи состояли из электромагнитных волн гораздо более коротких, чем лучи рентгеновские. Альфа-лучи состояли из положительно заряженных тяжёлых частиц, масса которых равнялась атому гелия, а бета-лучи состояли из быстро движущихся электронов.
Было сразу же обнаружено, что атом это не «кирпичик» мироздания, а сложная структура. В центре атома находилось ядро, вокруг которого вращались по орбитам электроны. Количеству протонов в ядре соответствовало такое же число электронов, имеющих отрицательный заряд. Число электронов таково, что атом в целом нейтрален. Электрический заряд ядра должен был полностью компенсироваться зарядом электронов. В этом случае электроны движутся под действием силы притяжения, обратно пропорциональной квадрату расстояния от ядра, подобно планетам в поле притяжения Солнца, и атом Резерфорда выглядел как Солнечная система в миниатюре. Это открытие составило эпоху в науке. Резерфорд подсчитал, что атом имеет размеры порядка ста миллионной доли сантиметра, почти вся его масса заключена в ядре, размеры которого в поперечнике в сто тысяч раз меньше расстояния до орбиты электрона. Масса ядра близка к массе целого атома; даже легчайшее из ядер почти в две тысячи раз тяжелее электрона. Из этого Э.Резерфорд заключил, что атом почти пуст. И действительно, если принять эту аналогию, атом так же пуст, как и Солнечная система. Атомное ядро чрезвычайно мало по сравнению с размерами атома, подобно тому как Солнце мало по сравнению с орбитами планет.
Налицо было взаимодействие ядра с электронами, но не исключалось и воздействие самих электронов друг на друга. Однако считалось, что в силу микроскопических масс этих частиц таким воздействием можно было пренебречь. «В механике Солнечной системы, - разъясняет Р.Пайерлс, - основания для этого гораздо более сильнее, чем в случае атома, поскольку гравитационные силы между двумя телами зависят от их масс. Так как Солнце намного тяжелее любой планеты, притяжение Земли Солнцем, например, гораздо сильнее, чем притяжение со стороны Марса и Венеры. С другой стороны, в атоме силы электрические и зависят от заряда частицы. Электрический заряд всех электронов атома, вместе взятых, равен по величине (хотя и противоположен по знаку) заряду ядра. Поэтому силы, действующие на один электрон со стороны остальных в действительности отнюдь не малы». (Р.Е.Пайерлс. Законы природы. М.. 1962, с. 213-214).
Всё как будто говорило за то, что небесная механика Ньютона нашла своё полное подтверждение также и в микромире, который оказался построенным наподобие Солнечной системы. Не случайно была выбрана Э.Резерфордом модель атома, – с ядром и движущимися вокруг ядра по орбитам электронами, - напоминающая планетарную систему. Но дальнейшее изучение мира на этом, ядерно-атомарном, уровне начало приносить сюрпризы, появление которых не укладывалось в законы небесной механики. Первым таким сюрпризом был так называемый «дефект массы», несовместимый с законом сохранения массы и энергии. Если, например, два куска металла, вступивших в соединение друг с другом и образовавших в результате взаимодействия целостную структуру, то их общая масса до вступления во взаимодействие и после не изменится. Когда же одно целое образовали вступившие в подобное взаимодействие два ядра водорода, то их суммарная масса оказалась меньше суммы масс этих ядер, взятых до взаимодействия. Куда подевалась масса? Получалось, что она просто исчезла. А так как материя отождествлялась с массой, следовало думать, что исчезла сама материя.
Выяснилось далее, что атом не так уж и стабилен. В нём действуют возмущающие его силы, которые нарушают определённое равновесие. Электрон может перескочить с верхней, более удалённой от ядра, орбиты на нижнюю, приблизившись тем самым к ядру. При этом он отдаёт излишек энергии и импульс. Если же совершает прыжок в обратном направлении, то получает дополнительную энергию и импульс. Но он может перескочить с орбиты на орбиту только тогда, когда это место не занято двумя электронами с противоположными спинами. Пространство в этом месте характеризуется уровнем плотности отрицательного заряда.»Знак минус указывает тут на то, что энергия отрицательная, то есть что для удаления электрона необходимо затратить работу». (Там же, с. 214). А два электрона могут двигаться одинаковым образом по причине наличия у них спина. Наибольшей энергией при этом обладают электроны внешнего поля. Их скорости приближаются к световой. Они по этой причине легко выходят за пределы атома, превращаясь в кванты света или разрушая другие атомы. Фотон – это квант энергии. Приобретая его, электрон переходит на более низкую орбиту, а лишаясь, - на внешнюю и может даже вылететь, становясь свободным и оставляя атом в изолированном возбуждённом состоянии. При таком воздействии на электронную оболочку каждый электрон будет постепенно всё больше и больше сближаться со своим протоном, так что благодаря силам притяжения будет освобождаться всё большее и большее количество энергии. При этом уменьшаются размеры электронной орбиты, и вместе с нею и размеры атома, что приводит к развалу твёрдого или жидкого вещества. Однако в нормальном состоянии атом стабилен. Зарядом ядра регулируется количество электронов и расстояние до них6 оно соответствует массе и спину. В пустом пространстве электрического поля нет, и действительный заряд появляется лишь при отклонении от этого состояния. Тогда наличие электронов в состоянии отрицательной энергии не будет почти ни в чём себя проявлять. (См. Там же, с. 259).
Почему оказалось невозможным объяснить строение атома в рамках классической физики, законов Ньютона и электродинамических законов Максвелла? Потому что новая система потребовала пересмотра этих и других законов, что привело к уточнению этих законов и созданию квантовой теории. Вместо того чтобы от них полностью отказаться, был предложен «компромисс» в то время как речь шла о совсем иных системах и иных состояниях материи. Просто они были верны в своей области, а тут, в микромире уже не работали. Тем не менее, их всё равно притягивали за уши принципами дополнительности, вероятности, неопределённости, достаточности и т. п. И новая теория вновь столкнулась с множеством трудностей, которые до сих пор не преодолены.
От молекулы к неживой и живой клетке
. В ближайшем родстве с физикой находится химия, точно так же как она, с другой стороны, плавно переходит в биологию. Химические явления, таким образом , там, где они имеют дело с ионами, то есть заряженными атомами, могут быть в значительной мере объяснены основными физическими законами. И тогда здесь мы имеем дело с неорганической химией, с созданием благодаря взаимодействию атомов новых структурных элементов материи, называемых в рамках неорганической химии химическими соединениями, молекулами и пр. Но за пределами этого, там, где молекула, усложняя свою структуру, отрицает себя, появляется новая система – клетка, сначала как растительная, а затем и живая. Таким образом, химии как бы самой природой надлежит занимать промежуточное положение между миром физическим и миром органическим и животным миром.
Изменения, при которых атомы отщепляются от молекулы или присоединяются к молекуле, так что образуется новое соединение, принадлежит к области химии. Ионные соединения образуют основу неорганической химии, а соединения, возникающие из того, что два электрона разделяют одну область сил притяжения, составляют основу органической химии. Там, где химия связывается теснейшим образом с физикой и где эти области знания, отражающие природные процессы, накладываются друг на друга и взаимопроникают друг в друга, там появляется такое состояние материи, которое в обыденном и научном смысле называют веществом, выступающим в жидком, газообразном, твёрдом, аморфном состоянии. Основой его является молекула, представляющая собой качественно новую микросистему, возникающую на атомно-молекулярном уровне. Молекула – это наименьшая часть химической частицы, которая сохраняет ещё все химические свойства вещества. Мельчайшей такой молекулой, образующей всю так называемую область «пустого» пространства метагалактики, является молекула водорода, мельчайшая частица межзвёздного вещества, находящегося в газообразном состоянии. Несмотря на то, что в одном кубическом сантиметре этого галактического пространства присутствует всего один атом водорода и само это пространство иногда именуется чуть ли не вселенским вакуумом, - по земным меркам, оно так и есть! – эта среда обладает, учитывая расстояния и массы, - колоссальной упругостью. Синтез атомов здесь становится условием и предпосылкой образования гигантских звёздных систем, которые представляют собой, как бы боковые, тупиковые линии космической эволюции.
Мы на них останавливаться не будем, поскольку всё, о чём до этого говорилось, представляет собой модификации различных состояний материи этого уровня эволюции. Мы остановим своё внимание на двух важных «прорывах» в развитии мира, - если вообще мы вправе говорить о «развитии» применительно к вечно движущейся в бесконечном пространстве материи, - на образовании в результате соединения атомов при их взаимодействии друг с другом новой системы, отличной качественным образом от атома и ядра, - молекулы, с одной стороны; с другой, на появлении такой системы на базе молекулы, какой является растительная и живая клетка. Наша задача здесь состоит не в том, чтобы во всех подробностях излагать химические и биологические теории, - нет в этом необходимости, - а лишь в том, чтобы определить связано ли появление этих новых материальных образований с гравитацией. Но и тут нам без такого, хотя бы самого поверхностного, изложения сути этих отраслей человеческого знания о природе не обойтись. Как и в прежнем изложении, привлекать мы будем их лишь для того, чтобы оживить своё повествование наглядными примерами.
Итак, что такое молекула? Какова её структура? Как, в конце концов, силы, способствующие, объединению химических элементов и атомов в молекулы, как силы притяжения и отталкивания атомов, участвуют в химических процессах, называемых химическими реакциями?
Тому мы в жизни тьму историй слышим,
Но мы истории не пишем.
А вот о том, как в баснях говорят…
«Ближайший предмет химии составляет изучение однородных веществ, из сложения которых составлены все тела мира, превращений их друг в друга и явлений, сопровождающих такие превращения». Эти слова были сказаны Д.И.Менделеевым, создателем известной Периодической системы химических элементов. Возникновение последних связывают с процессами, идущими в недрах так называемых сверхновых звёзд. Давно уже признано, что в недрах звёзд идёт процесс ядерного синтеза, в ходе которого четыре ядра водорода под воздействием колоссальных давлений и температур сливаются в ядро гелия. Возникает вопрос: а не могут ли все известные нам химические элементы образоваться в процессе ядерного синтеза? Ведь они различаются между собой по количеству протонов и нейтронов в ядре. Причём протоны могут возникать в результате бета-распада нейтрона, при котором вдобавок образуется свободный электрон, то есть частица с отрицательной энергией. Представим себе теперь такую нейтронную звезду, где частицы спрессованы гигантским давлением, сжатием их, образуя пространство сверхплотной материи. При колоссальных температурах, превышающих солнечную в десятки раз по мере расширения такой звезды и распада нейтронов начинают возникать протоны. Их неизбежное в этом случае объединение с нейтронами, включая и так называемый медленный захват нейтронов и радиоактивный распад промежуточных тяжёлых ядер, в конечном счёте, приводит к образованию всех химических элементов.
Но необходимо подчеркнуть, что речь идёт здесь о создании таких новых материальных структур пока на ядерно-атомарном уровне и речи тут пока о химических соединениях не идёт. Но это как раз и есть всё необходимое для перехода материи к новому уровню сложности. Колоссальные давления, - а это не что иное, как проявление гравитации, - и гигантские температуры, возникающие в результате погибающих и возникающих старых систем, теперь находящихся в хаотическом состоянии, дают все необходимые условия для перехода на качественно новый уровень существования мира.
Объекты этого нового уровня движения материи те же самые, то есть не взявшиеся из ничего, «не свалившиеся с неба», а пришедшие сюда из прежнего своего состояния, в котором они находились ещё миллиардные доли секунды тому назад, так сказать, «вчера». Вместе с тем, это уже и «не те» объекты. В результате преобразований и превращений они стали качественно иными материальными объектами, способными, – по закону наименьшего действия, господствующему в природе, - составлять новые структуры, новые системы, обеспечивающие в новом заданном природой пространстве их устойчивое, длительное, «безбедное» существование во времени. Начинают возникать предтечи химического вещества – молекулы – и с этого момента собственные свойства атомов, подчинённые полностью взаимодействию сил в этой системе начинают определять как ход образования, так и ход разрушения молекул.
Единство мира не в этом заключается, не в открытии и существовании неких мельчайших элементов, из которых состоит вся природа. Единство мира в его материальности, которую доказывать не нужно, если мы признаём материальность мира. Естественные науки достигли поразительных успехов в изучении строения вещества, однако отсюда не следует, что вещество состоит из элементарных частиц. Вещество, в какой бы оно ни было форме, не представляет собой нагромождения элементарных частиц или атомов, как не сводится оно и к совокупности молекул. Разделить вещество на молекулы механическим путём пока никому не удавалось. Делением вещества на мельчайшие частицы мы можем придти только к такой же частице, однородной с веществом, но не к молекуле. Для того чтобы перейти на молекулярный уровень материи, нужны иные подходы, а механическое воздействие на предмет, связанное с дроблением вещества до дурной бесконечности, тут уже будет бесполезным. Но и отделённые друг от друга молекулы перестают существовать, когда нарушается их связь, делающая вещество веществом. Точно так же мы можем сказать об атомах, объединённых в молекулы.
Молекула - это не совокупность атомов, как хотелось бы нам представить их для простоты и удобства, а такое их объединение в данной среде и в данное время, которое (объединение) делает их способными образовать молекулу. При этом сами атомы, потеряв собственные сущностные индивидуальные характеристики, входят составной частью в характеристики новой системы, называемой молекулой. Здесь они представлены как атомы-частицы, а не как единство взаимодействующих в них элементарных частиц. Мы сейчас отвлекаемся от внешней среды молекул, от процесса их сложения и перегруппировки в упорядоченном состоянии, что, собственно, и приводит к образованию вещества, предметов, физических тел. Пока мы займёмся процессами, происходящими внутри молекулы, поскольку она, не будучи мельчайшей частицей «материи» в обыденном смысле этого слова, - то есть частицей физических объектов, вещей и предметов, как говорят, «косной материи», косной, в смысле, инертной, - всё же становится тем непосредственным мостиком и грузом, без чего такое состояние, как вещество невозможно себе представить.
Решающим условием в создании таких материальных образований, как молекула, играет ионная связь. Она возникает лишь тогда, когда один из атомов теряет электроны с внешней, наиболее уязвимой в смысле отталкивания, части пространства атомных структур и становится положительным ионом (катионом), а другой, приобретая электроны, является анионом, то есть отрицательным ионом. Эти противоположно заряженные ионы и образуют, притягиваясь и смыкая свои орбиты, электронные оболочки, молекулу вещества. Конечно, это пока не вещество в прямом смысле слова, но это тот «кирпичик», без которого новое здание под названием «вещество» не сможет возникнуть. Количество теряемых или приобретаемых при ионизации электронов зависит от места элемента в периодической системе и связано со стремлением образовать устойчивую оболочку типа оболочки инертных газов. Инертные газы («аргонные элементы») являются тут своеобразным прорывом материи в эту свою «неизвестность». Всё это не таит в себе ничего мистического и не связано ни с какой заранее определённой кем-то целью, не является телеологически предопределённым. У природы было бесчисленное множество вариантов осуществить подобный прорыв, но она выбрала себе именно этот путь, наиболее эффективный с точки зрения сопротивления процессу на этой линии развития и усложнения свойств материального мира.
Особенно наглядно отображается физический мир в структурах углеродных соединений. Взаимодействия микрочастиц, электромагнитные, ядерные, гравитационные поля, механическое движение, свет, тепло порождают у химических объектов новые возможности ответного воздействия на среду. В результате химические объекты не только изменяют себя, но и непрерывно изменяют середу адекватно своим изменениям. Это преобразование является, пожалуй, самым существенным моментом при переходе материи на новый, более сложный уровень. Суть его состоит в формировании и сохранении химических элементов.
Причём это осуществляется уже на доорганическом уровне, когда химическое вещество самообновляет и самопродуцирует себя. Однако эти моменты проявляют себя лишь на уровне углеродных соединений. Уже в простых органических соединениях обнаруживается, что реальными «атомами», их составляющими, являются не одни только обычные химические элементы, но и дискретные, способные к длительному существованию, к перемещению из молекулы в молекулу, к известной изменчивости с сохранением индивидуальности радикалы – эти истинные атомы органической химии.
Этот механизм чрезвычайно прост. К его раскрытию подвела химию теория химического строения вещества, созданная в 60-х годах XIX века А.М.Бутлеровым. Оказалось, что в молекулах атомы расположены не хаотично, а упорядоченно, в определённой последовательности, зависящей от их валентности, причём порядок соединения атомов характеризует химическую индивидуальность, то есть качественную определённость данного вещества. Возьмём, к примеру, самый распространённый в природе элемент водород. Во Вселенной его находится 93 %, а на Земле всего лишь 1 %. Но соединения углерода с водородом – углеводороды – тут одни из наиболее распространённых. Наиболее простой углеводород – метан. Это газ, огромное количество которого содержится в земной коре. Простота его определяется тем, что углерод четырёхвалентен, а водород одновалентен, т.е. один атом углерода не может присоединить к себе ни меньше, ни больше четырёх атомов водорода: это и есть метан. Но последующие вещества, исходным материалом для которых является метан – этан, пропан, бутан – и т.п. – образуются лишь в результате присоединения одной единственной группы СН- два, включаемой в наращиваемую цепь.
Может возникнуть вопрос: почему именно углерод стал каркасом органической формы движения материи и структурно основой её дальнейшей эволюции? Перечисление его уникальных свойств в значительной мере объясняет это. Однако природа не развивается по предварительным планам. Единственное право, которым пользуется она, исходя из закона наименьшего действия, это право «естественного отбора», чем и достигается реализация вышеуказанного принципа при бесчисленном множестве «проб и ошибок» на протяжении миллиардов лет её эволюции.
Великое значение углерода, – на его долю приходится более двух миллионов химических соединений! – проявляется особенно ярко в появлении на Земле различных видов живых существ, которых, кстати, не случайно насчитывается тоже более 2 миллионов, в создании своеобразной первичной «газовой среды», именуемой биосферой. Некоторым может показаться, что живые существа, в отличие от мёртвых тел, от вещей и предметов, возникли непосредственно и изначально, как живые существа, сразу из соединений молекул, особым образом организованных, наподобие нуклеидов, сахароидов и аминокислот. Таково первое впечатление от вышесказанного, если применять формальную логику обыденного мира.
Но природа не развивается по законам формальной логики. В.И.Вернадским было убедительно доказано, что жизнь на Земле начиналась не с объединения молекул и непосредственного образования из этих объединений живых организмов, а с появления в Земле и над земной поверхностью первичного слоя наподобие первичного водородного газа в межзвёздном пространстве. Там этот газ стал, - а точнее сказать, всегда был и остаётся до сего дня, - неким строительным материалом для перехода материи с одного уровня физического на другой физический же уровень – на уровень вещества. Но здесь, в биосфере Земли, мы наблюдаем как бы новую ветвь, качественно новый процесс, причём на самой его начальной ступени, подобной витку на новом уровне спирали, где имеет место подобие, но задействованы в процессах «кирпичики» совсем иного качества и свойства.
Мир не пошёл прямолинейно, он отказался как бы от своего совершенствования, потому что та ветвь атомарно-ядерной эволюции в предметном, вещественном его состоянии оказалась неожиданно тупиковой. Что поделать, и в природе можно встретиться с такими казусами! Как и, возможно, бесчисленное количество раз на протяжении бесчисленных миллиардов лет, Природа сама нашла выход из этой тупиковой ситуации, - что, конечно, нельзя назвать телеологической предопределённостью или вмешательством в её существование Творца, - она перешла к новому состоянию материи, смысл которого мы можем выразить одним словом – жизнь. Правда, о том буйстве миллиардов и миллиардов живых земных существ, которых мы знаем и которых можем себе вообразить сейчас, речи тогда не было, тем более, в рамках одной-единственной планеты.
А теперь на секунду представим себе, что могло бы произойти, и что, видимо, происходило бы не единожды на всех планетных образованиях во Вселенной, если бы вдруг возникшая биосфера столкнулась с условиями и обстоятельствами, не адекватными жизни. Конец жизни? Конец. Но Природа не так уж и глупа, как мы о ней думаем. Она пошла дальше. Она использовала не только продлевающие существование наработанных свойств и состояний все созидательные изобретения физического мира, но и, прежде всего, новые системы вещественного органического мира, использовав с этой целью уникальные свойства углерода. Там, в далёком прошлом хозяином положения был водород; здесь, вместе с водородом и его уникальными свойствами, таким хозяином положения стал углерод. Она перешла, конечно, через многие и многие миллиарды лет существования биосферы на её, так сказать, плазменном уровне, к соединению особым образом отобранных методом проб и ошибок, подогнанных и особым образом упорядоченных молекул сложной организации, на уровне белковых тел и нуклеиновых кислот, и создала живую клетку, с уникальным, невиданным до того свойством – живая клетка не только могла делиться, сохраняя практически навечно систему, но она ещё и была способна сохранять информацию и передавать её другим клеткам, порождая, таким образом, в себе самой генетический код, необходимый для выживания вида и его дальнейшего совершенствования и развития.
Надо отметить, что этот процесс шёл не на пустом месте: клетка уже существовала! Одноклеточные и многоклеточные растительные организмы проявили себя в самом лучшем виде. Другим выдающимся свойством клетки после её деления, - «размножения», - можно было бы назвать принцип взаимодействия её элементов, начиная от ядра и заканчивая протоплазмой, названный в биологии принципом неустойчивого равновесия, непосредственно связанного с действием гравитации. Что-то похожее уже встречалось в физическом мире, в мире существования атомов и молекул. И если говорить напрямую, этот принцип, собственно, и лежит в основе качественно новой формы движения, называемой жизнью, где понятия «жизнь» и «существование» для животных, как и понятия «жизнь» и «деятельность» для человека, неотделимы друг от друга и употребляются как синонимы.
Открытие клетки как структурной единицы всех растительных и животных организмов составило эпоху как в естествознании, так и в философии. Будучи химической лабораторией природы, она сразу же связала в одно целое неживую и живую природу, как ещё раньше молекула связала в одну систему квантовую, атомарно-ядерную, и физическую, предметно-вещественную, области материального мира. Линейные размеры клетки колеблются в пределах от микрона до 100 и более микрон. Её уже можно пронаблюдать в лабораторных условиях, применяя сильно увеличивающие микроскопы. В клетке легко различаются два основных элемента: ядро клетки и клеточная плазма (цитоплазма). Как и в атоме, почти всё содержание информации, необходимой для существования самой клетки и организма в целом, сосредоточено в ядре. Мы не будем об этом распространяться.
Итак, основным специфическим телом биологического состояния материи выступает клетка. Клетку, как особое, специфическое, тело, - это ещё не организм, даже если он и одноклеточный, - характеризуют четыре особенности:
- клетка – это упорядоченное в пространстве единство белков, нуклеиновых кислот и некоторых других химических веществ и соединений;
-клетка имеет чёткий, структурно выраженный пограничный слой – мембрану, отделяющую клетку от окружающей среды, включая и другие клетки;
- клетка – это совершенно самостоятельная структура, что находит своё выражение в существовании огромного количества видов одноклеточных организмов;
- клетка – это строгая система различных, дифференцированных элементов, тесно взаимосвязанных между собой и выполняющих свои, только им присущие функции.
Можно на этом закончить и сделать некоторые выводы.
Во-первых, гравитация, как это явствует из всего изложения, не является каким-то особым, присущим всей материи, свойством. Процесс взаимодействия центростремительных сил (гравитация, или притяжение), точно так же, как и обратный, противоположный ему по направлению процесс взаимодействия центробежных сил (отталкивание, выдавливание), есть процесс производный. Он появляется, он имеет место только там и только тогда, когда движущаяся материя находится в условиях неустойчивого равновесия, как следствия притягивания масс разрежёнными участками пространства. Перемещение более плотных масс в сторону менее плотных определяет гравитацию на всех уровнях движущейся материи.
Во-вторых, гравитация тесно связана с отталкиванием друг от друга, или выталкиванием из системы элементов, заряженных отрицательной энергией.
В-третьих, на всех уровнях действуют силы гравитации одинаково, сообразно массе и расстоянию от центра масс, но проявляются эти силы по-разному.
В-четвёртых, как сила тяжести, гравитация находит своё проявление, прежде всего, в механической форме движения материи. Но это лишь одно из её проявлений. В других областях мира и на других уровнях тоже имеет место гравитация, но она проявляется по-разному.