IX. Квантової теорії і будови матерії

Рання грецька філософія від Фалеса до атомістів, яка шукала єдине начало в нескінченному зміні всіх речей, сформулювала поняття космічної матерії, світової субстанції, претерпевающей всі ці зміни, з якої всі одиничні речі виникають і в яку вони в Зрештою знову перетворюються. Ця матерія частково ідентифікувалася з деяким певним речовиною - водою, повітрям або вогнем, - частково ж їй не приписували ніяких інших якостей, крім якостей матеріалу, з якого зроблені всі предмети.

Пізніше поняття матерії відігравало важливу роль у філософії Арістотеля - в його ідеях про зв'язок форми і матерії, форми і речовини. Все, що ми спостерігаємо в світі явищ, являє собою оформлену матерію. Матерія, отже, є реальністю не сама по собі, але являє собою тільки можливість, «потенцію», вона існує лише завдяки формі 13. У явищах природи «буття», як називає його Аристотель, переходить з можливості в дійсність, в актуально доконане, завдяки формі. Матерія у Арістотеля представляє собою не якесь певне речовина, як, наприклад, воду або повітря, не є вона також і чистим простором; вона виявляється до певної міри невизначеним тілесним субстратом, який містить в собі можливість перейти завдяки формі в актуально доконане, в дійсність. Як типовий приклад цього співвідношення між матерією і формою у філософії Аристотеля наводиться біологічний розвиток, в якому матерія перетвориться в живі організми, а також створення людиною твори мистецтва. Статуя потенційно міститься в мармурі вже до того, як її висікає скульптор.

Тільки значно пізніше, починаючи з філософії Декарта, матерію як щось первинне стали протиставляти духу. Є два доповнюють один одного аспекту світу, матерія і дух, або, як висловлювався Декарт, «res extensa» і «res cogitans». Оскільки нові методологічні принципи природознавства, особливо механіки, виключали зведення тілесних явищ до духовних сил, то матерія могла бути розглянута тільки як особлива реальність, незалежна від людського духу і від яких надприродних сил. Матерія в цей період представляється вже сформувалася матерією, і процес формування пояснюється причинного ланцюгом механічних взаємодій. Матерія вже втратила зв'язок з «рослинною душею» арістотелівської філософії, і тому дуалізм між матерією і формою в цей час вже не грає ніякої ролі. Це уявлення про матерію внесло, мабуть, найбільший внесок у те, що ми нині розуміємо під словом «матерія».

Нарешті, в природознавстві XIX століть важливу роль грав інший дуалізм, а саме дуалізм між матерією і силою, або, як тоді говорили, між силою і речовиною. На матерію можуть впливати сили, і матерія може викликати появу сил. Матерія, наприклад, породжує силу тяжіння, і ця сила в свою чергу впливає на неї. Сила і речовина є, отже, двома ясно помітними аспектами фізичного світу. Оскільки сили є також формують силами, це розходження знову наближається до аристотелевскому розрізнення матерії і форми. З іншого боку, саме у зв'язку з новітнім розвитком сучасної фізики, це розходження сили і речовини повністю зникає, оскільки всяке силове поле містить енергію і в цьому відношенні являє собою також частина матерії. Кожному силовому полю відповідає певний вид елементарних частинок. Частинки і силові поля - тільки дві різні форми прояву однієї і тієї ж реальності.

Коли природознавство вивчає проблему матерії, йому слід насамперед дослідити форми матерії. Нескінченне різноманіття і мінливість форм матерії повинні стати безпосереднім об'єктом дослідження; зусилля повинні бути спрямовані на те, щоб знайти закони природи, єдині принципи, які могли б служити напрямної ниткою в цьому нескінченному поле досліджень. Тому точне природознавство і особливо фізика вже давно концентрують свої інтереси на аналізі будови матерії і сил, які це будова визначають.

З часу Галілея основним методом природознавства є експеримент. Цей метод уможливив перейти від загальних досліджень природи до специфічних досліджень, виділити характеристичні процеси в природі, на основі яких її закони можна вивчати більш безпосередньо, ніж у загальних дослідженнях. Тобто при вивченні будови матерії необхідно провести над нею експерименти. Необхідно поставити матерію в незвичайні умови, щоб вивчити її перетворення в цих обставинах, сподіваючись пізнати тим самим певні фундаментальні риси матерії, які зберігаються при всіх її видимих змінах.

З часу формування природознавства нового часу це було однією з найважливіших цілей хімії, в якій досить рано прийшли до поняття хімічного. Елемента. Субстанція, яка не могла бути розкладена або розщеплена далі якими завгодно засобами, що були в той час у розпорядженні хіміків: кип'ятінням, спалюванням, розчиненням, змішуванням з іншими речовинами, була названа «елементом». Введення цього поняття було першим і виключно важливим кроком в розумінні будови матерії. Різноманіття наявних у природі речовин було тим самим зведено принаймні до порівняно малому числу простіших речовин, елементів, і завдяки цьому серед різних явищ хімії був встановлений певний порядок. Слово «атом» тому і було застосовано до найдрібнішої одиниці матерії, яка входить до складу хімічного елемента, і найменша частка хімічного з'єднання могла бути наочно представлена у вигляді маленької групи різних атомів. Щонайменшої часткою елемента заліза виявився, наприклад, атом заліза, і найменша частка води, так звана молекула води, виявилася складається з атома кисню і двох атомів водню.

Наступним і майже настільки ж важливим кроком було відкриття збереження маси в хімічних процесах. Якщо, наприклад, спалюється елемент вуглецю і при цьому утворюється двоокис вуглецю, то маса двоокису вуглецю дорівнює сумі мас вуглецю і кисню до того, як процес почався. Це відкриття додало поняттю матерії насамперед кількісний зміст. Незалежно від хімічних властивостей матерія могла бути виміряна її масою.

Протягом наступного періоду, головним чином у XIX столітті, було відкрито велике число нових хімічних елементів. У наш час їх число переступило за 100. Це число, однак, абсолютно ясно говорить про те, що поняття хімічного елемента ще не привело нас до того пункту, виходячи з якого можна було б зрозуміти єдність матерії. Припущення про те, що існує дуже багато якісно різних видів матерії, між якими немає ніяких внутрішніх зв'язків, не було задовільним.

До початку XIX століття були вже знайдені свідчення на користь наявності взаємозв'язку між різними хімічними елементами. Ці свідчення полягали в тому факті, що атомні ваги багатьох елементів здавалися цілочисельне кратними деякої найменшої одиниці, яка приблизно відповідає атомному вазі водню. Подоба хімічних властивостей деяких елементів також говорило на користь існування цієї взаим зв'язку. Але тільки завдяки застосуванню сил, які у багато разів сильніше, ніж ті, які діють в хімічних процесах, можна було дійсно встановити зв'язок між різними елементами і підійти ближче до розуміння єдності матерії.

Увага фізиків було залучено до цих сил у зв'язку з відкриттям радіоактивного розпаду, здійсненого Беккерелем в 1896 році. У наступних потім дослідженнях Кюрі, Резерфорда та інших перетворення елементів у радіоактивних процесах було показано з усією очевидністю. Альфа-частки випускаються в цих процесах у вигляді уламків атомів з енергією, яка приблизно в мільйон разів більше, ніж енергія одиничної частки в хімічному процесі. Отже, ці частинки могли бути тепер використані в якості нового інструменту для дослідження внутрішньої будови атома. Ядерна модель атома, запропонована Резерфордом в 1911 році, стала результатом експериментів з розсіювання а-частинок. Найважливішою рисою цієї відомої моделі був поділ атома на дві абсолютно різні частини - атомне ядро і навколишні атомне ядро електронні оболонки. Атомне ядро займає в центрі тільки виключно малу частку всього простору, яке зайняте атомом, - радіус ядра приблизно в сто тисяч разів менше радіуса всього атома; але воно все-таки містить майже всю масу атома. Його позитивний електричний заряд, є цілочисельними кратним так званого елементарному заряду, визначає загальне число оточуючих ядро електронів, бо атом як ціле повинен бути електрично нейтральний; він визначає тим самим і форму електронних траєкторій.

Ця відмінність між атомним ядром і електронною оболонкою відразу дало узгоджене пояснення тому факту, що в хімії саме хімічні елементи є останніми одиницями матерії і що для перетворення елементів один в одного необхідні дуже великі сили. Хімічні зв'язки між сусідніми атомами пояснюються взаємодією електронних оболонок, і енергії взаємодії при цьому порівняно малі. Електрон, прискорений в розрядної трубці потенціалом всього в декілька вольт, володіє достатньою енергією, щоб «розпушити» електронні оболонки і викликати випускання світла або зруйнувати хімічну зв'язок в молекулі. Але хімічна поведінка атома, хоча в основі його і лежить поведінка електронних оболонок, визначається електричним зарядом атомного ядра. Якщо хочуть змінити хімічні властивості, потрібно змінити саме атомне ядро, а це вимагає енергій, які приблизно в мільйон разів більше, ніж ті, які мають місце при хімічних процесах.

Але ядерна модель атома, що розглядається як система, в якій виконуються закони ньютонівської механіки, не може пояснити стабільність атома. Як було встановлено в одній з попередніх глав, тільки застосування до цієї моделі квантової теорії може пояснити той факт, що, наприклад, атом вуглецю, після того як він взаємодіяв з іншими атомами або випромінюючи квант світла, як і раніше залишається в кінцевому рахунку атомом вуглецю , з тією ж самою електронною оболонкою, яку він мав раніше. Цю стабільність можна просто пояснити на основі тих самих рис квантової теорії, які роблять можливим об'єктивний опис атома в просторі і в часі.

Цим шляхом було, отже, створено початкове підстава для розуміння будови матерії. Хімічні та інші властивості атомів можна було пояснити, застосовуючи до електронних оболонок математичну схему квантової теорії. Виходячи з цього ос-нови, далі можна було намагатися вести аналіз будови матерії в двох різних напрямках. Можна було або вивчати взаємодію атомів, їх ставлення до більш великим одиницям, таким, як молекули або кристали або біологічні об'єкти, або ж можна було намагатися, досліджуючи атомне ядро і його складові частини, просунутися до того пункту, в якому стало б зрозумілим єдність матерії . Фізичні дослідження форсовано розвивалися в минулі десятиліття в обох напрямках. Подальший виклад і буде присвячене з'ясуванню ролі квантової теорії в обох цих областях.

Сили між сусідніми атомами є в першу чергу електричними силами - йдеться про тяжінні протилежних зарядів і про відштовхуванні між однойменними; електрони притягуються атомним ядром і відштовхуються іншими електронами. Але ці сили діють тут не за законами ньютонівської механіки, а за законами квантової механіки.

Це веде до двох різних типів зв'язку між атомами. При одному типі зв'язку електрон одного атома переходить до іншого атому, - наприклад для того, щоб заповнити ще не зовсім заповнену електронну оболонку. У цьому випадку обидва атоми виявляються в кінцевому рахунку електрично зарядженими і отримують назву «іонів»; оскільки їх заряди в такому випадку протилежні, вони взаємно притягуються. Хімік говорить у цьому випадку про «полярної зв'язку».

При другому типі зв'язку електрон певним чином, характерним тільки для квантової теорії, належить обом атомам. Якщо використовувати картину електронних орбіт, то можна приблизно сказати, що електрон обертається навколо обох атомних ядер і значну частку часу проводить як в одному, так і в іншому атомі. Цей другий тип зв'язку відповідає тому, що хімік називає «валентної зв'язком».

Ці два типи зв'язку, які можуть існувати у всіляких комбінаціях, викликають в кінцевому рахунку утворення різних сукупностей атомів і виявляються зрештою визначальними всі складні структури, які вивчаються фізикою і хімією. Отже, хімічні сполуки утворюються завдяки тому, що з атомів різного роду виникають невеликі замкнуті групи, і кожна група може бути названа молекулою хімічної сполуки. При утворенні кристалів атоми розташовуються у вигляді впорядкованих грат. Метали утворюються тоді, коли атоми розташовані так щільно, що зовнішні електрони залишають свої оболонки і можуть проходити крізь весь шматок металу. Магнетизм деяких речовин, особливо деяких металів, виникає внаслідок обертового руху окремих електронів в цьому металі і т. д.

 У всіх цих випадках дуалізм між матерією і силою ще може бути збережений, так як ядра і електрони можна розглядати як будівельні цеглини матерії, які утримуються разом з електромагнітними силами. 

 У той час як фізика і хімія (там, де вони мають відношення до будови матерії) складають єдину науку, в біології з її більш складними структурами становище складається дещо по-іншому. Правда, незважаючи на кидається в очі цілісність живих організмів, велика відмінність між живою і неживою матерією, ймовірно, проведено бути не може. Розвиток біології дало нам велику кількість прикладів, з яких можна бачити, що специфічно біологічні функції можуть виконуватися особливими великими молекулами або групами, або ланцюгами таких молекул.

 Поки ми провели, отже, аналіз будови матерії в одному напрямку - від атома до більш складних структурам, со- вартим з атомів: від атомної фізики до фізики твердого тіла, до хімії і, нарешті, до біології. Тепер ми повинні повернути в протилежному напрямку і простежити лінію досліджень, спрямовану від зовнішніх областей атома до внутрішніх областям, до атомного ядра і, нарешті, до елементарних частинок. Тільки ця друга лінія приведе нас, бути може, до розуміння єдності матерії. Тут не потрібно боятися того, що характеристичні структури будуть самі зруйновані в дослідах. Якщо поставлено завдання перевірити в дослідах принципове єдність матерії, то ми можемо піддати матерію дії найсильніших з можливих сил, впливу самих граничних умов, щоб побачити, чи може в кінці кінців матерія бути перетворена в якусь іншу матерію. 

 Першим кроком у цьому напрямку був експериментальний аналіз атомного ядра. В початкові періоди цих досліджень, які заповнюють приблизно перші три десятки років нашого століття, єдиним інструментом для експериментів над атомним ядром були а-частинки, що випускаються радіоактивними речовинами. За допомогою цих частинок Резерфорду вдалося в 1919 році перетворити один в одного атомні ядра легких елементів. Він зміг, наприклад, ядро азоту перетворити в ядро кисню, приєднуючи до ядра азоту а-частинку і в той же самий час вибиваючи з нього протон. Це був перший приклад процесу на відстанях порядку радіусів атомних ядер, який нагадував хімічні процеси, але який вів до штучного перетворенню елементів. Наступним вирішальним успіхом було штучне прискорення протонів в приладах високої напруги до енергій, достатніх для ядерних перетворень. Для цієї мети необхідні різниці напруг приблизно в мільйон вольт, і Кокрофту і Уолтону в їх першому вирішальному експерименті вдалося перетворити атомні ядра елемента літію в атомні ядра елемента гелію. Це відкриття виявило для досліджень абсолютно нове поле, яке може бути названо ядерною фізикою у власному розумінні слова і яке дуже швидко призвело до якісного розуміння будови атомного ядра. Насправді будова атомного ядра виявилося дуже простим. Атомне ядро складається всього з двох різних видів елементарних частинок. Одна з елементарних частинок - протон, що є одночасно ядром атома водню. Інша була названа нейтроном, частка, що володіє приблизно тією ж масою, що і протон, і, крім того, електрично нейтральна. Кожне атомне ядро можна, таким чином, охарактеризувати загальним числом протонів і нейтронів, з яких воно складається. Ядро звичайного атома вуглецю складається з 6 протонів і 6 нейтронів. Але є також і інші ядра атомів вуглецю, які є дещо більш рідкісними - вони були названі ізотопами першим - і які складаються з 6 протонів і 7 нейтронів і т. д. Так зрештою прийшли до опису матерії, в якому замість багатьох різних хімічних елементів використовувалися тільки три основні одиниці, три фундаментальних будівельних цегли - протон, нейтрон і електрон. Вся матерія складається з атомів і побудована тому в кінцевому рахунку з цих трьох основних будівельних цеглин. Це ще, звичайно, не означає єдності матерії, але безсумнівно означає важливий крок у напрямку цієї єдності і, що було, мабуть, ще важливіше, означає істотне спрощення. Правда, попереду був ще довгий шлях від знання цих основних будівельних цеглин атомного ядра до повного розуміння його будови. Тут проблема була дещо відмінною від відповідної проблеми щодо зовнішньої оболонки атома, вирішеною в середині двадцятих років. У разі електронної оболонки сили між часгацамі були відомі з великою точністю, але, крім того, повинні були бути знайдені динамічні закони, і вони врешті-решт були сформульовані у квантовій механіці. У разі атомного ядра можна було цілком припустити, що динамічними законами є в основному закони квантової теорії, але тут були насамперед невідомі сили між частинками. Їх необхідно було вивести з експериментальних властивостей атомних ядер. Ця проблема не може бути вирішена повністю ще до цих пір. Сили, ймовірно, не мають такого простого виду, як у випадку електростатичних сил між електронами у зовнішніх оболонках, і тому математично вивести властивості атомних ядер з більш складних сил важче, і, крім того, прогресу перешкоджає неточність експериментів. Але якісні уявлення про структуру ядра придбали цілком певний вид. 

 Зрештою, в якості останньої найважливішої проблеми залишається проблема єдності матерії. Чи є ці елементарні частинки - протон, нейтрон і електрон останніми, нерозкладними будівельними цеглинами матерії, іншими словами, «атомами» в сенсі філософії Демокріта, без будь-яких взаємних зв'язків (відволікаючись від діючих між ними сил), або ж вони є тільки різними формами одного і того ж виду матерії? Далі, чи можуть вони перетворюватися один в одного або навіть в інші форми матерії? Якщо вирішувати цю проблему експериментально, то для цього потрібні сили і сконцентровані на атомних частках енергії, які повинні бути в багато разів більше, ніж ті, які були використані для дослідження атомного ядра. Оскільки запаси енергії в атомних ядрах недостатньо великі, щоб забезпечити нам кошти для проведення таких експериментів, то фізики повинні або скористатися силами в космосі, тобто в просторі між зірками, на поверхні зірок, або ж вони повинні довіритися вмінню інженерів. 

 Насправді успіхи були досягнуті на обох шляхах. Насамперед фізики використовували так зване космічне випромінювання. Електромагнітні поля на поверхні зірок, що тягнуться на гігантські простору, при сприятливих умовах можуть прискорити заряджені атомні частки, електрони і атомні ядра, які, як виявилося, внаслідок своєї більшої інерції мають більше можливостей більш довгий час залишатися в ускоряющем поле, і коли вони врешті решт йдуть з поверхні зірки в порожнє про- странство, то іноді встигають пройти потенційні поля в багато мільярдів вольт. Подальше прискорення при сприятливих умовах відбувається ще в змінних магнітних полях між зірками. У всякому разі, виявляється, що атомні ядра довгий час утримуються змінними магнітними полями в просторі Галактики, і врешті-решт вони, таким чином, заповнюють простір Галактики тим, що називають космічним випромінюванням. Це випромінювання досягає Землі ззовні і, отже, складається з усіх можливих атомами ядер - водню, гелію і більш важких елементів, - енергії яких змінюються приблизно від сотень або тисяч мільйонів електрон-вольт до величин, в мільйон разів більших. Коли частинки цього висотного випромінювання вторгаються у верхні шари атмосфери Землі, вони стикаються тут з атомами азоту або кисню атмосфери або атомами-якого експериментального пристрою, який піддають дії космічного випромінювання. Результати дії можуть бути потім досліджені. 

 Інша можливість полягає в конструюванні дуже великих прискорювачів елементарних частинок. Як прототип для них може вважатися так званий циклотрон, який був сконструйований в Каліфорнії на початку тридцятих років Лоуренсом. Основна ідея конструкції цих установок полягає в тому, що завдяки сильному магнітному полю заряджені атомні частки примушують багаторазово обертатися по колу, так що вони на цьому круговому шляху можуть знову і знову прискоритися електричним полем. Установки, у яких можуть бути досягнуті енергії у багато сотень мільйонів електрон-вольт, в даний час діють в багатьох місцях земної кулі, головним чином у Великобританії. Завдяки співпраці 12 європейських країн в Женеві будується дуже великий прискорювач такого роду, який, як сподіваються, буде давати протони енергією до 25 мільйонів електрон-вольт. Експерименти, проведені за допомогою космічного випромінювання або дуже великих прискорювачів, виявили нові цікаві риси матерії. Крім трьох основних будівельних цеглин матерії - електрона, протона і нейтрона, - були відкриті нові елементарні частинки, які породжуються в цих відбуваються при високих енергіях зіткненнях і які після закінчення виключно малих проміжків часу зникають, перетворюючись на інші елементарні частинки. Нові елементарні частинки мають властивості, подібні до властивостей старих, за винятком своєї нестабільності. Навіть самі стабільні серед нових елементарних частинок мають тривалість життя тільки близько мільйонної частки секунди, а час життя інших - ще в сотні або тисячі разів менше. В даний час відомо приблизно 25 різних видів елементарних частинок. Сама «молода» з них - негативно заряджений протон, який називають антипротонів. 

 97 

 4 В Гейзенберг 

 Ці результати здаються на перший погляд знову відводять убік від ідей про єдність матерії, так як число фундаментальних будівельних цеглин матерії, мабуть, знову увеличи- лось до кількості, порівнянного з кількістю різних хімічних елементів. Але це було б неточним тлумаченням дійсного стану речей. Адже експерименти одночасно показали, що частинки виникають з інших частинок і можуть бути перетворені в інші частинки, що вони утворюються просто з кінетичної енергії таких частинок і можуть знову зникнути, так що з них виникнуть інші частинки. Стало бути, іншими словами: експерименти показали повну перетворюваність матерії. Всі елементарні частинки в зіткненнях досить великої енергії можуть перетворитися на інші частинки або можуть бути просто створені з кінетичної енергії; і вони можуть перетворитися в енергію, наприклад у випромінювання. Отже, ми маємо тут фактично остаточний доказ єдності матерії. Всі елементарні частинки «зроблені» з однієї і тієї ж субстанції, з одного і того ж матеріалу, який ми тепер можемо назвати енергією або універсальної матерією; вони - тільки різні форми, в яких може виявлятися матерія. 

 Якщо порівняти цю ситуацію з поняттям матерії і форми у Аристотеля, то можна сказати, що матерію Аристотеля, яка в основному була «потенцією», тобто можливістю, слід порівнювати з нашим поняттям енергії; коли елементарна частинка народжується, енергія виявляє себе завдяки формі як матеріальна реальність. 

 Сучасна фізика не може, природно, задовольнитися тільки якісним описом фундаментальної структури матерії; вона повинна спробувати на основі ретельно проведених експериментів поглибити аналіз до математичної формулювання законів природи, що визначають форми матерії, а саме елементарні частинки і їх сили. Чітке розмежування між матерією і силою або силою і речовиною в цій частині фізики більше проведено бути не може, так як будь-яка елементарна частинка не тільки сама породжує сили і сама відчуває вплив сил, але і в той же самий час сама представляє в даному випадку певну силове полі. Квантово-механічний дуалізм хвиль і частинок є причиною того, що одна і та ж реальність виявляє себе і як матерія, і як сила. 

 Всі спроби знайти математичний опис для законів природи у світі елементарних частинок досі починалися з квантової теорії хвильових полів. Теоретичні дослідження в цій області були зроблені на початку тридцятих років. Але вже перші роботи в цій області виявили дуже серйозні труднощі в області, де квантову теорію намагалися об'єднати зі спеціальною теорією відносності. З першого погляду здається, ніби дві теорії, квантова та теорія відносності, відносяться до настільки різним сторонам природи, що практично вони ніяк не можуть впливати один на одного і що тому вимоги обох теорій повинні бути легко здійснимі в одному і тому ж формалізмі. Але більш точне дослідження показало, що обидві ці теорії вступають в певному пункті в конфлікт, в результаті чого і виникають всі подальші труднощі. 

 Спеціальна теорія відносності розкрила структуру простору і часу, яка виявилася дещо відмінною від структури, приписувати їм з часу створення ньютонівської механіки.

 З цієї причини дію на великі відстані так, як воно виступає у разі сил тяжіння в ньютонівської механіці, виявилося несумісним зі спеціальною теорією відносності. Нова теорія повинна була замінити така дія «близкодействии», тобто передачею сили з однієї точки тільки безпосередньо сусідній точці. Природним математичним виразом взаємодій цього роду виявилися диференціальні рівняння для хвиль або полів, інваріантні щодо перетворення Лоренца. Такі диференціальні рівняння виключають будь-яке пряме вплив одночасних подій один на одного. 

 Тому структура простору і часу, що виражається спеціальною теорією відносності, гранично різко відмежовує область одночасності, в якій не може бути передано ніяке вплив, від інших областей, в яких безпосередній вплив одного процесу на інший може мати місце. 

 4 ' 

 99 З іншого боку, співвідношення невизначеностей квантової теорії встановлює жорстку кордон точності, з якою можуть бути одночасно виміряні координати і імпульси або моменти часу та енергії. Так як гранично різка межа означає нескінченну точність фіксації положення в просторі і в часі, то відповідні імпульси та енергії повинні бути повністю невизначеними, тобто з переважною ймовірністю повинні виступити на перший план процеси навіть зі як завгодно великими імпульсами і енергіями. Тому будь-яка теорія, яка одночасно виконує вимоги спеціальної теорії відносності та квантової теорії, веде, виявляється, до математичних суперечностей, а саме до расходимостей в області дуже великих енергій та імпульсів. Ці висновки не обов'язково можуть носити необхідний характер, так як усякий формалізм розглянутого тут роду є адже дуже складним, і можливо ще, що будуть знайдені математичні засоби, які допоможуть усунути в цьому пункті протиріччя між теорією відносності та квантової теорією. Але досі таки всі математичні схеми, які були досліджені, приводили справді до таких расходимостей, тобто до математичних суперечностей, або ж вони виявлялися недостатніми, щоб задовольнити всім вимогам обох теорій. Крім того, було очевидно, що труднощі справді виникають з щойно розглянутого пункту. 

 Той пункт, в якому сходяться математичні схеми не задовольняють вимогам теорії відносності або квантової теорії, виявився дуже цікавим вже сам по собі. Одна з таких схем вела, наприклад, коли її намагалися інтерпретувати за допомогою реальних процесів в просторі і часі, до деякого роду поводження часу; вона описувала процеси, в яких в певній точці раптово відбувалося народження декількох елементарних частинок, а енергія для цього процесу надходила тільки пізніше завдяки якимось іншим процесам зіткнення між елементарними частинками. Фізики ж на підставі своїх експериментів переконані, що процеси такого роду в природі не мають місця, принаймні тоді, коли обидва процеси відокремлені один від одного деякими вимірним відстанню в просторі і в часі. 

 В іншій теоретичній схемі спроба усунути расходімості формалізму робилася на основі математичного процесу, який був названий «перенормировки». Цей процес полягає в тому, що нескінченності формалізму можна було пересунути в таке місце, де вони не можуть перешкодити отриманню строго визначених співвідношень між що спостерігаються величинами. Дійсно, ця схема вже призвела до певного ступеня до вирішальних успіхам в квантової електродинаміки, так як вона дає спосіб розрахунку деяких дуже цікавих особливостей в спектрі водню, які до цього були нез'ясовні. Більш точний аналіз цієї математичної схеми зробив, проте, правдоподібним висновок про те, що ті величини, які в звичайному квантової теорії повинні бути витлумачені як імовірності, можуть в даному випадку при деяких обставинах, після того як процес перенормировки проведений, стати негативними. Це виключало б, зрозуміло, несуперечливе тлумачення формалізму для опису матерії, так як негативна ймовірність - безглузде поняття. 

 Тим самим ми вже прийшли до проблем, які нині стоять у центрі дискусій у сучасній фізиці. Рішення буде отримано небудь завдяки постійно збагачував експериментальному матеріалу, який видобувається у все більш і більш точних вимірах елементарних частинок, їх породження і знищення, сил, що діють між ними. Якщо шукати можливі рішення цих труднощів, то, може бути, слід згадати про те, що такі процеси з видимим зверненням часу, обговорені вище, не можна виключити на підставі експериментальних даних в тому випадку, якщо вони мають місце тільки всередині зовсім малих просторово-часових областей , усередині яких з нашим теперішнім експериментальним обладнанням детально простежити процес ще не- можливо. Зрозуміло, при теперішньому стані нашого знання ми навряд чи готові визнати можливість таких процесів із зверненням часу, якщо з цього і випливає можливість на якийсь більш пізній стадії розвитку фізики спостерігати подібного роду процеси таким же чином, яким спостерігають звичайні атомні процеси. Але тут порівняння аналізу квантової теорії і аналізу теорії відносності дозволяє представити проблему в новому світлі. 

 Теорія відносності пов'язана з універсальною постійної природи - зі швидкістю світла. Ця постійна має вирішальне значення для встановлення зв'язку між простором і часом і тому повинна сама по собі міститися у всякому законі природи, задовольняє вимогам інваріантності щодо перетворень Лоренца. Наш звичайний мову і поняття класичної фізики можуть бути застосовані тільки до явищ, для яких швидкість світла може розглядатися практично нескінченно великою. Якщо ми в наших експериментах в будь-якій формі наближаємося до швидкості світла, то ми повинні бути підготовлені до появи результатів, які більш не можуть бути пояснені за допомогою цих звичайних понять. 

 Квантова теорія пов'язана з іншою універсальної постійної природи - з планковские квантом дії. Об'єктивний опис процесів в просторі і в часі виявляється можливим тільки тоді, коли ми маємо справу з предметами і процесами порівняно великих масштабів, а саме тоді постійну Планка можна розглядати як практично нескінченно малу. Коли ми в наших експериментах наближаємося до області, в якій планкою-ський квант дії стає істотним, ми приходимо до всіх тих труднощів із застосуванням звичайних понять, які були обговорені в попередніх розділах цієї книги. 

 Але повинна бути ще третя універсальна постійна природи. Це слід просто, як кажуть фізики, з міркувань розмірності. Універсальні постійні визначають величини масштабів в природі, вони дають нам характеристичні величини, до яких можна звести всі інші величини в природі. Для повного набору таких одиниць необхідні, однак, три основні одиниці. Найпростіше укласти про це можна зі звичайних угод про одиниці, як, наприклад, з використання фізиками системи CGS (сантиметр-грам-секунда). Одиниці довжини, одиниці часу та одиниці маси разом достатньо, щоб утворити повну систему. Необхідні щонайменше три основні одиниці. Їх можна було б замінити також одиницями довжини, швидкості і маси або одиницями довжини, швидкості та енергії і т. д. Але три основні одиниці необхідні в усякому разі. Швидкість світла і планковские квант дії дають нам, однак, тільки дві з цих величин. Повинна бути ще третя, і тільки теорія, що містить таку третю одиницю, можливо, здатна вести до визначення мас і інших властивостей елементарних частинок. Якщо виходити з наших сучасних знань про елементарних частинках, то, мабуть, найпростішим і найбільш прийнятним шляхом введення третього універсальної постійної є припущення про те, що існує універсальна довжина порядку величини 10 "13 см, довжина, стало бути, порівнянна приблизно з радіусами легких атомних ядер. Якщо з цих трьох одиниць утворити вираз, має розмірність маси, то ця маса має порядок величини маси звичайних елементарних частинок. 

 Якщо припустити, що закони природи дійсно містять таку третю універсальну постійну розмірності довжини порядку величини 10 ~ 13 см, то тоді цілком можливо, що наші звичайні уявлення можуть бути застосовні лише до таких областей простору і часу, які великі в порівнянні з цієї універсальної постійної довжини . У міру наближення в своїх експериментах до областей простору і часу, малим в порівнянні з радіусами атомних ядер, ми повинні бути готові до того, що будуть спостерігатися процеси якісно нового характеру. Явище звернення часу, про який говорилося вище і поки що тільки як про можливість, виведеної з теоретичних міркувань, могло б тому належати цим найдрібніших просторово-тимчасовим областям. Якщо це так, то, ймовірно, його було б не можна спостерігати таким чином, що відповідний процес міг би бути описаний в класичних поняттях. І все ж у тій мірі, в якій такі процеси можуть бути описані класичними поняттями, вони повинні виявляти також і класичний порядок проходження в часі. Але поки про процеси в самих малих просторово-часових областях - або (що згідно із співвідношенням невизначеностей приблизно відповідає цьому висловлюванню) при найбільших переданих енергіях і імпульсах - відомо дуже мало. 

 У спробах досягти на основі експериментів над елементарними частинками більшого знання про закони природи, визначають будову матерії і тим самим структуру елементарних частинок, особливо важливу роль відіграють певні властивості симетрії. Ми нагадаємо про те, що у філософії Платона найменші частинки матерії були абсолютно симетричними утвореннями, а саме правильними тілами - кубом, октаедром, Ікосаедр, тетраедром. У сучасній фізиці, правда, ці спеціальні групи симетрії, отримувані з групи обертань в тривимірному просторі, не коштують більше в центрі уваги. Те, що має місце в природознавстві нового часу, ні в якому разі не є просторовою формою, а являє собою закон, стало бути, певною мірою просторово-часову форму, і тому застосовуються в нашій фізики симетрії повинні завжди ставитися до простору і часу спільно . Але певні типи симетрії, здається, насправді грають в теорії елементарних частинок найбільш важливу роль. Ми пізнаємо їх емпірично завдяки так званим законам збереження і завдяки системі квантових чисел, за допомогою яких можна впорядкувати відповідно досвіду події у світі еле- ментарной частинок. Математично ми можемо їх виразити за допомогою вимоги, щоб основний закон природи для матерії був інваріантним щодо певних груп перетворень. Ці групи перетворень є найбільш простим математичним виразом властивостей симетрії. Вони виступають в сучасній фізиці замість тел Платона. Найбільш важливі тут коротко перераховані. 

 Група так званих перетворень Лоренца характеризує розкриту спеціальною теорією відносності структуру простору і часу. 

 Група, досліджена Паулі і Гюрші, відповідає за своєю структурою групі тривимірних просторових обертань - вона їй ізоморфна, як кажуть математики, - і проявляє себе в появі квантового числа, яке емпірично було відкрито у елементарних частинок вже двадцять п'ять років тому і отримало назву «ізоспіном ». 

 Дві наступні групи, провідні себе формально як групи обертань навколо жорсткої осі, призводять до законів збереження для заряду, для числа баріонів і для числа лептонів. 

 Нарешті, закони природи повинні бути інваріантні ще відносно певних операцій відображення, які тут немає потреби перераховувати детально. З цього питання особливо важливими і плідними виявилися дослідження Лі і Янга, згідно з ідеєю яких величина, звана парністю і для якої раніше передбачався справедливим закон збереження, насправді не зберігається. 

 Всі відомі досі властивості симетрії вдається виразити за допомогою простого рівняння. Причому під цим розуміється, що це рівняння инвариантно щодо всіх названих груп перетворень, і тому можна думати, що це рівняння вже правильно відображає закони природи для матерії. Але вирішення цього питання ще немає, воно буде отримано тільки з часом за допомогою більш точного математичного аналізу цього рівняння і за допомогою порівняння з експериментальним матеріалом, зібраних у все більших розмірах. 

 Але й відволікаючись від цієї можливості, можна сподіватися, що завдяки погодженням експериментів в області елементарних частинок найвищих енергій з математичним аналізом їх результатів небудь вдасться прийти до повного розуміння єдності матерії. Вираз «повне розуміння» означало б, що форми матерії - приблизно в тому сенсі, в якому вживав цей термін у своїй філософії Аристотель, - виявилися б висновками, тобто рішеннями замкнутої математичної схеми, що відображає закони природи для матерії. 

 Інформація, релевантна "IX. Квантової теорії і будови матерії"

1. ПРИМІТКИ І КОММЕНТАРІІ4
     Нижченаведені примітки носять переважно бібліографічний характер і ставлять метою заповнити опущений в тексті робіт Гейзенберга (зважаючи на їх популяризаторської характеру) науково-бібліографічний апарат посилань і документації. Теоретичні міркування з відповідними пунктами і питань наведені в розділі «Вернер Гейзенберг і філософія». Відповідно в примітках не дано і відомостей
   
2. Контрольні питання для СРС 1.
     Чи можна визначити «буття» без поняття «духовність»? 2. Абсолютне буття - це бог? Бог - об'єктивна реальність, так як «існує» поза і незалежно від нашої свідомості. Чи згодні Ви з цим твердженням? 3. Як співвідносяться категорії «буття» і «матерія» Можна припустити, що буття ширше поняття, ніж матерія? Як бути тоді з положенням: «У світі немає нічого, крім рухомої
   
3. Матерія
     - "... Філософська категорія для позначення об'єктивної реальності, яка дана людині у відчуттях його, яка копіюється, фотографується, відображається нашими відчуттями, існуючи незалежно від них" (Л., 18, 131). Матерія - це нескінченна безліч всіх існуючих у світі об'єктів і систем, субстрат будь-яких властивостей, зв'язків, відносин і форм руху. Марксистсько-ленінське розуміння матерії
   
4. 4. Закон невиключену третього або іманентного тотожності і відмінності матерії і свідомості
     Якщо в попередньому законі розглядається роль трансцендентного в сверхлогіческую мисленні в її взаємозв'язку з індивідуальною свідомістю, то предмет закону не виключеного третього - роль індивідуальної свідомості в пізнанні квантових явищ і названого квантовим свідомістю. Передісторія квантового свідомості така. У 1987 році співробітники Прінстонського університету фізик Роберт Джан і психолог Бренда
   
5. II. Марксистське поняття матерії і божественне буття
     Противники діалектичного матеріалізму не обмежуються спробами створити погану репутацію навколо поняття матеріалізму, як це було показано вище. Свої зусилля вони спрямовують також і безпосередньо проти наріжного каменю діалектичного матеріалізму - марксистського поняття матерії, прагнучи подібним шляхом довести мнпмую наукову неспроможність діалек-тіко-матеріалістичного
   
6. 1. Права на земельну ділянку при оренді будови
     Традиційно в російській цивілістиці будівлі та споруди позначалися терміном "будова". При цьому під будовою розумілася і розуміється споруда, міцно юридично пов'язана з земельною ділянкою. Тому будова і земельну ділянку під ним розглядаються як якийсь єдиний будівельно-технічний і господарсько-експлуатаційний об'єкт. Нерухомістю визнається і будівлю, розташовану на
   
7. Список літератури
     Алексєєв С.С, Держава і право, М. 1996. Венегеров А. Б. Теорія держави і права. Ч. 1. - М., 1995. Каутський К. Матеріалістичне розуміння історії. Т. 2: Держава і розвиток суспільства. М.; Л., 1968. Корельський В. М., Перевалов В. Д. Теорія держави і права. - М., 1997. Комаров С.А. Загальна теорія держави і права - М., 1998. Лазарєв В. В. Загальна теорія держави і права. - М.,
   
8. Глосарій з курсу «Філософія» частина 1 «Систематична філософія »
     1. Абсолютна і відносна істина. 2. Антропологія. 3. Апріорний. Апостеріорний. 4. Несвідоме. 5. Буття. 6. Брахман. 7. Час. Рух. Форми руху матерії 8. Гилозоизм. 9. Гносеология. Епістемологія. 10. Діалектика. Метафізика. 11. Дуалізм. 12. Так °. 13. Істина. 14. Історичні типи світогляду. 15. Ідеалізм. 16. Ідея. 17. Інтенціональність. 18. Класична німецька
   
9. Механіцизм і сучасні уявлення про речовину.
     Методологія механістичного матеріалізму, тобто прямолінійна екстраполяція властивостей органічної матерії на нижчий фізико-хімічний структурний рівень, використана Ціолковським, мала б залишитися в XIX столітті. Однак подібні думки висловлювали й філософи другої половини XX століття. Порівняємо думки К. Ціолковського та Б. Рассела. Ціолковський ставив запитання: «Яка ж різниця між
   
10. ЄДНІСТЬ МАТЕРІЇ І ДУХУ - ОСНОВНИЙ ЗАКОН-ФОРМУЛА-КОД ВСЕСВІТУ
      Кожна форма проявленого Буття двоїста і складається з духу і матерії. На основі цієї первинної подвійності утворюється Всесвіт і все, що існує в ній. Життя кожного життя як неодмінної умови вимагає з'єднання матерії і духу. Як дух, так і матерія, окремо взяті, не дають явища життя. Життя можлива лише завдяки з'єднанню цих двох одвічних Почав: Духа і Матерії,
    
11. Природа лідерства. Лідер на основі:
      влади, сили (посади) як засобу примусу, матеріальної залежності, володіння особливою інформацією лідерського поведінки через координацію, мотивацію, критику, переконання техніку групової роботи з досягнення цілей міжособистісного впливу досягнення згоди між членами групи центр всієї діяльності групи Лідерство - лідируюча позиція людини деякий час . Тому дане поняття
    
12. ІДЕЇ античної філософії і СУЧАСНА НАУКА
      Особливістю сучасного періоду розвитку науки є пошук глобальної концептуальної ідеї, свого роду панпарадігми, яка замінила б панівну нині в природознавстві Ньютон-картезіанської модель світу. Відповідно до цієї моделі, матерія первинна, розвивається в тривимірному просторі і в часі, які незалежні один від одного, має окреслені межі у вигляді візуально спостережуваного
    
13. . Онтологічні проблеми філософії
      Буття як філософська проблема. Формування філософської категорії «буття». Космос і внутрішній світ людини. Місце і роль категорії «буття» у філософії. Генезис категорії «буття». Категорія буття у ведичній традиції Індії. Основні онтологічні поняття індійської філософії. Категорія "буття" в філософії Стародавнього Китаю. Категорія буття у філософії Парменіда. Буття - основа
    
14. Контрольні питання
      1. Що таке правова держава? Як відбувався процес формування уявлень про правову державу в історії політико-правової думки? 2. Які ознаки правової держави виділяються сучасною наукою? 3 Що таке соціальна держава? 4. Які види соціальних держав розрізняють в сучасному світі? Список літератури Васильєв А. В.