Физическая форма материи

 

В отличие от других, физическая форма материи (ФФМ)[70] изве­стна нам, более или менее достоверно, лишь с некоторого относитель­но простого уровня — лептонов и кварков, выше которого следует уровень “сильнодействующих” (участвующих в “сильных взаимодейс­твиях”) элементарных частиц (протонов, нейтронов, мезонов, гиперонов и т. д.), атомов, макротел, космических объектов, включая круп­нейшее известное нам образование — Метагалактику, или “нашу Все­ленную”, “Вселенную в космологическом смысле)*. Разрабатываются гипотезы о более простых, чем кварки, физических элементах или структурах — протокварках, “струнах” и т. д. Наиболее элементарный, по-видимому, уровень ФФМ — сингулярное состояние остается пока предметом гипотез и, в силу этого, современная физика еще не распо­лагает единой фундаментальной теорией ФФМ. В более укрупненном плане ФФМ может рассматриваться как составленная из двух основ­ных форм физической материи — вещества и поля.

Хотя современная физика не знает как наиболее простых, так и наиболее крупных (больше Метагалактики) уровней физической ре­альности, в ней получила серьезные основания идея генетического единства ФФМ. Согласно современным представлениям, известная нам физическая реальность возникла из относительно простого сингу­лярного состояния в результате “Большого взрыва” 10-20 млрд. лет на­зад. Предполагается, что для описания исходного сингулярного состо­яния и, следовательно, создания фундаментальной физической теории необходима новая концепция, представляющая собой синтез идей квантовой механики и теории относительности.

Не зная нижнего и верхнего пределов ФФМ, мы можем, однако, с большой уверенностью заключить о существовании объединяющих физическую реальность двух наиболее фундаментальных свойств — массы и энергии. “Величина массы и энергии в существенной степени определяет устойчивость и изменчивость элементарных частиц, ядер, атомов и атомно-молекулярных систем, характер их движения, вид взаимодействия, пространственно-временной интервал существования данных физических объектов, геометрические свойства пространства, времени, характер и последовательность ступеней эволюции Все­ленной. Разумеется, каждая частная физическая форма материи и дви­жения обладает своими специфическими свойствами, отличающими ее от других форм, однако в целом, в своей тотальности частные физи­ческие формы материи характеризуются единым, общим, интеграль­ным свойством — энергией, в которой угасают эти специфические свойства, исчезают различия между частными физическими формами материи и движения. Наличие этого свойства оказывается необходи­мой основой взаимодействия и взаимопревращения различных физи­ческих объектов, позволяет ввести общую меру физического движе­ния, отражающую единство физической реальности, ее отличие от хи­мической, биологической и социальной форм материи”[71].

Фундаментальные свойства масса и энергия находятся в глубо­кой зависимости, фиксируемой соотношением Эйнштейна Е=тс², ко­торое М. Борн назвал законом, выражающим важнейшие результаты теории относительности, позволяющим достичь глубокого объедине­ния наших знаний о мире[72].

Таким образом, физическая форма материи — это масс-энергетический мир

В рамках целостной ФФМ можно выделить несколько уровней, изу­чение которых имеет особый частнонаучный и философский интерес.

Вещество и поле. Физика XIX в. рассматривала вещество и по­ле как две резко различающиеся формы физической материи. С этих позиций вещество дискретно, или состоит из корпускул — атомов, мо­лекул и т. д., имеющих определенную конфигурацию, радиус, массу покоя, траекторию движения. Поле (электромагнитное, гравитацион­ное, мезонное и др.) имеет непрерывный, волновой характер, не делит­ся на корпускулы, не имеет массы покоя, траектории движения, дви­жется со скоростью света. Физика XX в. обнаружила глубокое единс­тво вещества и поля. Оно выражается, во-первых, во взаимопревра­щениях вещества и поля (когда частицы и античастицы аннигилируют, превращаются в кванты поля и, наоборот, поле рождает из себя частицы вещества); во-вторых, в том, что вещество и поле обладают родс­твенными свойствами.

Обнаружение единства вещества и поля создало огромные тео­ретические и гносеологические трудности как для физики, так и для философии.

В 1900 г. М Планк впервые ввел представление о том, что свет распространяется не какими угодно порциями, а только определенны­ми — квантами. Понятие кванта обозначало порции энергии, на кото­рые делится энергия светового потока, и свидетельствовало о том, что свет состоит из своего рода “частиц”, которые позднее Эйнштейн на­звал фотонами.

В 1913 г. Я Бор создал первый вариант квантовой теории ато­ма, согласно которой структура атома, распределение его электронных оболочек определяется квантовыми уровнями. В 20-е гг. было устано­влено, что электроны в своем движении через тончайшую металличес­кую пластинку проявляют волновые свойства — дифракции и интер­ференции. В 1925 г. Луи де Броиль высказал замечательную мысль, что элементарные частицы обладают двойственными, противоречивы­ми свойствами — являются одновременно частицами и волнами. Со­временная квантовая теория вещества и поля была создана Я Бором, Э Шредингером и В. Гейзенбергом. Согласно этой теории, вещество и поле состоят из своего рода частиц, проявляющих в различных опытах либо только корпускулярные, либо только волновые свойства. Так, в счетчике Гейгера электрон ведет себя только как дискретная частица. Когда пучок электронов проходит через кристаллическую решетку или отверстие в диафрагме, он проявляет только волновые свойства.

Противоречивые свойства частиц вещества и поля выражаются в двух необычных, с позиций прежней физики, принципах — неопре­деленности и дополнительности. Согласно принципу неопределенно­сти, если определяется местонахождение (координаты) частицы, то становится неопределенным ее импульс (р), если же точно определя­ется импульс частицы, то становятся неопределенными ее координаты (х, у, z). Такого рода “неопределенность”, связанная с противоречивой природой микрообъекта, выражается в соотношении неточностей: произведение неточности в определении импульса частицы и неточно­сти в координате больше или равно постоянной Планка (h). Dp_xDx>h, Dp_yDy>h, Dp_zDz>h. Согласно принципу дополнительности полное опи­сание частицы достигается путем совмещения корпускулярного и вол­нового описания ее.

Микро- и макрообъект: что сложнее?

Обнаружение неожиданных и “странных” свойств микрообъек­тов первоначально вызвало целый взрыв идеалистических спекуля­ций. Противоречивая картина микрообъектов послужила поводом для утверждения со стороны некоторых физиков и философов, что микро­объект есть фикция, совокупность ощущений, наш способ понимания показаний приборов. Выдвигалось также представление об индетерминированности поведения элементарных частиц, о “свободе воли” у электрона и т. д. Материалистически мыслящие физики и философы дали, однако, иное истолкование природы микрообъектов. С позиций диалектического материализма, из которых сознательно или стихийно исходили эти ученые, микрообъект является новой для нас формой объективной реальности, которая отнюдь не обязана быть в точности такой, каков макрообъект. Обнаружение странных с позиций макро­физики свойств микрообъектов — подтверждение бесконечного мно­гообразия объективной реальности.

 

Микрообъект не является, строго рассуждая, ни волной, ни корпускулой, он есть качественно иная реальность, про­тиворечивые свойства которой выражаются в макроскопической фор­ме, посредством макроприбора, в форме волновых и корпускулярных свойств.

Квантовая механика по-новому поставила проблему прибора и объекта, а в связи с этим и проблемы познания, проблему объектив­но-реального существования. Согласно наиболее основательной ин­терпретации квантовая механика описывает микрообъект не в “чистом виде”, а применительно к макроприбору и, следовательно, в известной мере, применительно к человеку как макроскопическому существу. Это давало некоторым философам повод для отрицания познаваемо­сти микрообъекта как такового. Однако, как убедительно возразил В.А. Фок, макроприбор состоит из микрообъектов, в силу чего его природа отнюдь не чужда природе микрообъектов и поэтому он может адекватно передавать природу последних. Это весьма сильный, но, с нашей точки зрения, недостаточный аргумент в пользу признания по­знаваемости микромира. Поскольку макрообъект имеет иное, чем мик­рообъект, качество, необходимы дополнительные аргументы в пользу идеи познаваемости микрообъектов. Эти аргументы заложены в кон­цепции единого закономерного мирового процесса, в диалектике соот­ношения высших и низших форм (ступеней развития) материи. Одна­ко мы пока оставим их в покое: еще не время собирать камни. Ограни­чимся лишь замечанием, что описание одного объекта (микро-) приме­нительно, т. е. в отношении к другому (макро-) отнюдь не ставит под сомнение тот факт, что эти объекты действительно познаются нами. Строго говоря, квантовая механика только особенно ярко выявила то обстоятельство, что любые предметы познаются в отношении к дру­гим. Ньютонова механика также представляет собой описание объектов в отношении к другим. Различие состоит в том, что в ньютоновой механике эти объекты качественно однородны — макроскопичны.

Для материалистической философии трактовка квантовой меха­ники как описания микрообъектов применительно к макромиру не яв­ляется исключительной новостью и потому, что, начиная с Фейербаха, элементарная форма познания - ощущение рассматривалась как ото­бражение объективных качеств вещи применительно к своего рода “прибору” - человеческим органам чувств, или, точнее, применитель­но к субъекту. Однако квантовая механика открыла качественно более сложный способ соотнесения объекта с прибором и познающим субъ­ектом и поэтому придала проблеме объективной реальности большую сложность и остроту.

Существенной стороной квантовой механики и связанного с ней толкования объективной реальности является вероятностная кар­тина мира, в которой понятия случайности и вероятности приобрели более глубокий смысл. Согласно наиболее принятой интерпретации квантовой механики “волны”, в которых обнаруживает себя микро­объект, — это “волны вероятности”. Вероятностная картина мира по-иному поставила проблему необходимого мира, т.е. мира необходимостей и закономерностей, что также привело к усложнению проблемы объективно-реального существования мира.

Глубокий микромир. В последние десятилетия основной инте­рес физики и философии переместился с уровня квантовой теории ве­щества и поля на более глубокие уровни микромира, начиная с эле­ментарных частиц. В 60-е гг. концепция “бутстрапа” (“зашнуровки”) пыталась представить уровень элементарных частиц как последний, замкнутый на себя, наипростейший структурный уровень материи. Утверждалось, что элементарные частицы “состоят” друг из друга (на­пример, протон из нейтрона и позитрона), но не из каких-либо более простых частиц. Одним словом, гипотеза бутстрапа претендовала на открытие своего рода “праматерии”. В этот период среди советских философов, работавших в области философских проблем физики, по­лучает широкое распространение идея предельно простого уровня ма­терии, предлагается якобы революционный пересмотр идеи бесконеч­ной неисчерпаемости и структурности материи, объявляется несосто­ятельной теоретическая и логическая формула: элементарная частица состоит из и т. д.

Однако вскоре физики, исходившие из более глубокой идеи не­исчерпаемости, структурности элементарных частиц, создают концеп­цию кварков, т. е. частиц, имеющих дробные (1/3 и 2/3 элементарного) заряды, из которых состоят все элементарные частицы - адроны, учас­твующие в так называемых “сильных взаимодействиях”. Масса кварка кратно превосходит массу “элементарной частицы”, в состав которой входят 2-3 кварка. Физика различила несколько видов кварков, кото­рые в свою очередь отличаются по “цвету” и “шарму”. Кварки, в отли­чие от поведения нуклонов в составе атомного ядра, не существуют вне элементарной частицы (“невылетаемость” кварка). Взаимодейс­твие кварков осуществляется благодаря другим частицам, названным глюонами. Все многообразие сильнодействующих элементарных час­тиц современная физика объясняет комбинацией различных видов и свойств кварков. Позднее в физике вводится гипотеза протокварков.

Важнейшее направление развития современной физики — так называемые “Великое объединение” и “Суперобъединение” — попыт­ка свести четыре основных вида физического взаимодействия (силь­ного, слабого, электромагнитного и гравитационного) к одному фун­даментальному взаимодействию, которое позволило бы объяснить физическую форму материи в целом и создать наиболее фундамента­льную физическую теорию. В первые мгновения “Большого взрыва” действовала единая универсальная физическая сила, от которой затем отщепляются гравитация и остальные формы взаимодействия. В русле этих исследований разработано, например, представление о “струнах” как одних из наиболее древних физических структур, возникающих в начале Большого взрыва и, возможно, сохранившихся где-нибудь в космосе. Десять погонных метров “струны” диаметром 10^-28 см обла­дают массой Луны.

Проблема развития в физике. В течение столетий физика, изу­чавшая последовательность различных по сложности уровней: элемен­тарные частицы — ядра — атом — молекулы — макротела — по сути имела дело лишь с фиксированными, “застывшими” результатами раз­вития, своего рода кристаллизовавшимся процессом развития. Идея развития впервые входит в фундаментальные концепции физики с по­явлением общей теории относительности и созданной на ее основе ре­лятивистской космологии, идеями. А.А. Фридмана. Идея развития ви­димой Вселенной, выраженная в концепции “горячей Вселенной”, по­лучила подтверждение в связи с открытием “красного смещения” спектра удаленных галактик (1929) и “реликтового излучения” (1965).

Идея развития Вселенной “...полностью доказана наблюдени­ями для периода, начиная от нескольких лет, отсчитываемых от сингу­лярности, до сегодняшнего дня”[73]. Более поздние исследования позво­лили приблизиться к “началу” физического развития до долей секунды.

“Установленная современной наукой картина эволюции мате­рии во Вселенной на всех уровнях с необходимостью приводит к вы­воду о развитии в совершенно определенном направлении: от простого к сложному. Действительно, за все 10-15 миллиардов лет развития материи во Вселенной мы наблюдаем непрерывное усложнение ее структуры и характера связей и взаимодействий между различными материальными системами, а также в пределах одной системы”[74]. И.С. Шкловский сравнивал “Большой взрыв” с “гигантским геном”, в суще­ственной мере предопределившим последующую историю Вселенной.

Проблему развития в физике нередко связывают также с термо­динамикой. Широко распространено представление о том, что разви­тие и самоорганизация — процесс, противоположный второму (“деградационному”) началу термодинамики, согласно которому замкну­тая система стремится к возрастанию энтропии, т.е. к менее организо­ванному состоянию как наиболее вероятному для нее[75]. Однако, хотя в определенной мере развитие и рост энтропии являются противополож­ными процессами, действительная связь развития и энтропии оказыва­ется, по-видимому, более сложной. В последнее время идея развития рассматривается в физике также в связи с современной теорией нерав­новесных процессов — синергетикой.

Материал современной физики позволяет определить специфи­чески физический способ, или форму, развития. С момента “Большого взрыва” развитие ФФМ осуществлялось первоначально путем преиму­щественно дифференциации, возникновения все большего многообра­зия физических объектов, затем, все в большей степени, посредством прямого субстратного синтеза, интеграции простых образований в более сложные (например, интеграции элементарных частиц в ядра, атомы, молекулы и т. д.). Важнейшей особенностью этого процесса дифференциации — интеграции является его масс-энергетический характер.

Один из сложнейших вопросов философии и физики - о зако­нах, определяющих развитие физической формы материи. Традицион­ный (и довольно простой) подход заключается в том, чтобы искать та­кие специальные физические, химические и другие частнонаучные за­коны, которые бы непосредственно управляли развитием физической, химической и других форм материи. Однако ни в физике, ни в химии или биологии таких законов не обнаружено. Другой, более глубокий, с нашей точки зрения, подход к проблеме частнонаучных законов раз­вития предложен Т.С. Васильевой[76]. С ее точки зрения, вся совокуп­ность законов частных наук выступает, на своем достаточно глубоком и скрытом уровне, в качестве законов развития. В законах физики, химии и биологии содержится скрытый, имплицитный уровень, пред­ставляющий собой эволюционное содержание этих законов.

С предложенных позиций логично признать, что, поскольку все фи­зические процессы суть масс-энергетические процессы, связанные с затра­тами энергии, важнейшим законом физического развития является Е=тс².

Обычно физику рассматривают в качестве наиболее зрелой ес­тественной науки, опирающейся на строгие и достоверные методы ис­следования и являющейся в известной степени эталоном для других частных наук. Однако наиболее общие представления современной физики в некотором существенном плане стоят ниже теоретического уровня современной химии и биологии. Современная биологическая теория эволюции опирается на широкий фундамент химии и физики, например, молекулярной биологии, генетики, без которых они не име­ли бы сколько-нибудь строгого научного смысла. Иное положение в космологии, основанной на общей теории относительности. Создавая теорию эволюции видимой. Вселенной, выдвинув две важнейшие эво­люционные космологические модели — “открытую” и “закрытую”, физика не опирается при этом на какие-либо лежащие “ниже” ее тео­ретические основания. С позиций “открытой” модели видимая Все­ленная будет бесконечно расширяться, что приведет к замедлению и “смерти” физических процессов, а также, следовательно, биологичес­кой и социальной жизни. С точки зрения “закрытой” модели расшире­ние неизбежно сменится сжатием, коллапсом и также гибелью живого.

Однако с позиций философской концепции единого закономер­ного мирового процесса, фундаментальных положений диалектичес­кого материализма физическая форма материи не является наипро­стейшей формой материи, или “праматерией”. С этой точки зрения не­обходимо выдвинуть гипотезу о существовании дофизических форм материи. Проникновение науки на субфизический уровень позволит глубже понять природу физических объектов и явлений, подобно то­му, как физика и химия придали современный научный вид коренным представлениям биологии. До этого момента все физические модели видимой Вселенной и, следовательно, представления о будущем Все­ленной, жизни и разума будут оставаться лишь гипотезами.

Природа массы и энергии является крупнейшей проблемой фи­зики. С точки зрения американского физика Ф. Дайсона, нельзя будет до конца понять происхождение и судьбу энергии во Вселенной, рас­сматривая ее отдельно, вне факта существования жизни и разума. Дайсон глубоко прав: сущность жизни, разума, массы, энергии и других важнейших свойств тех или иных форм материи может быть понята то­лько в контексте единого бесконечного мирового процесса развития.

Согласно представлениям современной физики эволюция физи­ческой Вселенной с необходимостью приводит к возникновению ато­мов, с которыми связана качественная граница, разделяющая физичес­кую и химическую формы материи. К стадии рекомбинации в ходе расширения Вселенной из свыше трехсот типов элементарных частиц “выживают” наиболее устойчивые частицы — нуклоны и электроны, образующие разнообразные и относительно стабильные системы — ядра и атомы. В развитии ФФМ обнаруживается строгая и необходи­мая объективная логика — от мощных масс-энергетических процес­сов, в которые вовлечены колоссальные массы и энергия, к слабым масс-энергетическим процессам, связанным с электронной оболочкой атомов. Коренным качественным скачком в развитии физической формы материи было возникновение атомной организации материи, что означало конец образования разнообразия микрообъектов (“разви­тия в микромире”) и начало построения макросистем. В атоме синте­зированы противоположные свойства - устойчивость и изменчивость, стабильное ядро и лабильная электронная оболочка; благодаря сильно­му взаимодействию нуклонов, ядра атомов не чувствительны к элек­тромагнитному взаимодействию на уровне электронных оболочек, по­этому основным способом взаимодействия материи на атомно-молекулярном уровне ее структуры оказывается соединение неизменных эле­ментов в изменяющиеся системы, т е прямой синтез субстратов, включающий в себя свою противоположность — распад химических систем на составные части”[77].

Химическая форма материи является, таким образом, законо­мерным продуктом развития масс-энергетических процессов, законо­мерным результатом развития физической формы материи.