ибольший вклад в  то, что мы ныне
понимаем под словом "материЯ".
     Ќаконец,  в  естествознании  XIX  столетиЯ  важную  роль  играл  другой
дуализм, а  именно дуализм между материей и  силой, или, как тогда говорили,
между силой и  веществом.  Ќа материю могут воздействовать силы,  и  материЯ
может вызывать поЯвление сил. ЊатериЯ, например, порождает силу тЯготениЯ, и
эта  сила  в  свою очередь воздействует  на нее. ‘ила  и вещество  ЯвлЯютсЯ,
следовательно, двумЯ  Ясно различимыми аспектами физического мира. Џоскольку
силы  ЯвлЯютсЯ также формирующими силами, это различие снова приближаетсЯ  к
аристотелевскому  различению  материи и формы. ‘  другой  стороны, именно  в
свЯзи с новейшим развитием современной физики, это  различие силы и вещества
полностью исчезает, так  как  всЯкое силовое поле содержит  энергию и в этом
отношении  представлЯет  собой  также  часть  материи. Љаждому силовому полю
соответствует определенный  вид элементарных частиц.  —астицы и силовые полЯ
-- только две различные формы проЯвлениЯ одной и той же реальности.
     Љогда естествознание изучает проблему материи, ему следует прежде всего
исследовать формы материи.  Ѓесконечное  многообразие  и  изменчивость  форм
материи  должны стать непосредственным  объектом исследованиЯ; усилиЯ должны
быть  направлены на то, чтобы найти законы природы, единые принципы, которые
могли бы служить  направлЯющей нитью  в  этом бесконечном поле исследований.
Џоэтому точное естествознание и особенно физика уже давно концентрируют свои
интересы на анализе строениЯ материи и сил, которые это строение определЯют.
     ‘о   времени   ѓалилеЯ   основным   методом   естествознаниЯ   ЯвлЯетсЯ
эксперимент.  ќтот метод сделал  возможным  перейти  от  общих  исследований
природы  к специфическим исследованиЯм, выделить характеристические процессы
в природе, на  основе которых ее законы можно изучать более непосредственно,
чем в общих  исследованиЯх. ’о есть при изучении строениЯ материи необходимо
произвести над ней эксперименты.  Ќеобходимо поставить  материю в  необычные
условиЯ,  чтобы  изучить  ее  превращениЯ  в  этих обстоЯтельствах,  надеЯсь
познать  тем  самым  определенные  фундаментальные  черты  материи,  которые
сохранЯютсЯ при всех ее видимых изменениЯх.
     ‘о времени формированиЯ естествознаниЯ нового времени это было одной из
важнейших целей химии, в которой довольно рано
     пришли к  понЯтию химического элемента. ‘убстанциЯ,  котораЯ  не  могла
быть разложена  или расщеплена далее какими угодно средствами, имевшимисЯ  в
то  времЯ  в  распорЯжении  химиков:  кипЯчением,  сжиганием,  растворением,
смешиванием с  другими веществами, была  названа "элементом". ‚ведение этого
понЯтиЯ  было  первым  и  исключительно важным  шагом в  понимании  строениЯ
материи. Њногообразие имеющихсЯ в природе веществ  было тем самым сведено по
крайней мере к сравнительно малому числу более простых веществ, элементов, и
благодарЯ этому среди различных Явлений химии  был  установлен  определенный
порЯдок. ‘лово "атом" поэтому и было применено к мельчайшей единице материи,
котораЯ  входит в  состав химического  элемента,  и самаЯ  маленькаЯ частица
химического  соединениЯ могла быть  наглЯдно  представлена в виде  маленькой
группы  различных  атомов.  Њельчайшей  частицей  элемента железа  оказалсЯ,
например,  атом железа,  и  наименьшаЯ частица воды, так называемаЯ молекула
воды, оказалась состоЯщей из атома кислорода и двух атомов водорода.
     ‘ледующим и почти столь же важным шагом было  открытие сохранениЯ массы
в  химических процессах. …сли,  например, сжигаетсЯ элемент углерода  и  при
этом  образуетсЯ  двуокись углерода, то масса двуокиси углерода равна  сумме
масс углерода и кислорода до того, как процесс началсЯ. ќто открытие придало
понЯтию материи прежде всего количественный смысл.  Ќезависимо от химических
свойств материЯ могла быть измерена ее массой.
     ‚ течение  следующего периода, главным образом  в  XIX  столетии,  было
открыто большое число новых  химических  элементов.  ‚ наше  времЯ  их число
перешагнуло за 100. ќто  число, однако,  совершенно  Ясно говорит о том, что
понЯтие  химического элемента еще  не привело нас к  тому пункту,  исходЯ из
которого  можно было  бы понЯть единство  материи.  Џредположение о том, что
существует  очень много качественно  различных видов материи, между которыми
нет никаких внутренних свЯзей, не было удовлетворительным.
     Љ началу XIX столетиЯ были  уже найдены свидетельства в пользу  наличиЯ
взаимосвЯзи  между  различными  химическими  элементами.  ќти  свидетельства
заключались  в  том  факте,  что  атомные  веса  многих  элементов  казались
целочисленно кратными  некоторой  наименьшей единице, котораЯ приблизительно
соответствует  атомному весу водорода. Џодобие химических  свойств некоторых
элементов также говорило  в пользу существованиЯ этой взаимосвЯзи. Ќо только
благодарЯ применению  сил,  которые во много  раз  сильнее, чем те,  которые
действуют в химических процессах, можно было действительно установить  свЯзь
между различными элементами и подойти ближе к пониманию единства материи.
     ‚нимание физиков  было  привлечено  к  этим силам в  свЯзи с  открытием
радиоактивного  распада,  осуществленного   Ѓеккерелем   в  1896   году.   ‚
последовавших  затем исследованиЯх  Љюри,  ђезерфорда и  других  превращение
элементов в радиоактивных  процессах было  показано  со  всей  очевидностью.
Ђльфа-частицы
     испускались в этих процессах в виде обломков атомов с энергией, котораЯ
приблизительно  в  миллион  раз  больше,  чем  энергиЯ  единичной  частицы в
химическом  процессе.  ‘ледовательно,   эти   частицы   могли   быть  теперь
использованы  в качестве нового  инструмента  длЯ  исследованиЯ  внутреннего
строениЯ атома. џдернаЯ модель атома,  предложеннаЯ ђезерфордом в 1911 году,
Явилась  результатом  экспериментов  по  рассеЯнию  альфа-частиц.  ‚ажнейшей
чертой  этой  известной  модели  было разделение  атома  на  две  совершенно
различные  части  --  атомное  Ядро  и окружающие атомное  Ядро  электронные
оболочки. Ђтомное  Ядро  занимает в центре  только  исключительно малую долю
всего  пространства, которое занЯто  атомом, -- радиус Ядра приблизительно в
сто тысЯч раз меньше радиуса всего атома; но оно все-таки содержит почти всю
массу атома. …го положительный электрический зарЯд,  ЯвлЯющийсЯ целочисленно
кратным  так  называемому  элементарному  зарЯду,  определЯет   общее  число
окружающих  Ядро  электронов,  ибо атом  как  целое должен быть электрически
нейтрален; он определЯет тем самым и форму электронных траекторий.
     ќто различие  между атомным Ядром  и электронной оболочкой  сразу  дало
согласованное объЯснение тому факту, что в  химии именно химические элементы
ЯвлЯютсЯ последними единицами материи и что длЯ превращениЯ элементов друг в
друга  необходимы  очень  большие  силы.  •имические свЯзи  между  соседними
атомами   объЯснЯютсЯ   взаимодействием   электронных  оболочек,  и  энергии
взаимодействиЯ при этом сравнительно  малы. ќлектрон, ускоренный в разрЯдной
трубке потенциалом  всего в  несколько вольт, обладает достаточной энергией,
чтобы  "разрыхлить"  электронные  оболочки  и  вызвать испускание света  или
разрушить химическую свЯзь в молекуле. Ќо химическое поведение атома, хотЯ в
основе   его  и   лежит   поведение   электронных   оболочек,   определЯетсЯ
электрическим   зарЯдом  атомного  Ядра.   …сли  хотЯт  изменить  химические
свойства, нужно изменить само атомное  Ядро, а это требует  энергий, которые
примерно  в миллион раз больше,  чем те, которые имеют  место при химических
процессах.
     Ќо  ЯдернаЯ  модель  атома,  рассматриваемого  как система,  в  которой
выполнЯютсЯ законы ньютоновской  механики, не  может  объЯснить стабильность
атома. Љак было установлено в одной  из предыдущих глав, только применение к
этой  модели квантовой теории может объЯснить тот факт, что,  например, атом
углерода, после того как он взаимодействовал  с другими атомами или  излучил
квант света, по-прежнему остаетсЯ в конечном счете атомом углерода, с той же
самой  электронной оболочкой,  какую  он имел ранее. ќту  стабильность можно
просто объЯснить на основе тех самых  черт  квантовой теории, которые делают
возможным объективное описание атома в пространстве и во времени.
     ќтим  путем было, следовательно, создано  первоначальное  основание длЯ
пониманиЯ  строениЯ материи. •имические и другие свойства атомов можно  было
объЯснить,  применЯЯ к электронным оболочкам математическую  схему квантовой
теории. €сходЯ из этого осно-
     ваниЯ,  далее можно было пытатьсЯ вести  анализ строениЯ материи в двух
различных  направлениЯх. Њожно  было или изучать взаимодействие  атомов,  их
отношение к  более крупным единицам,  таким, как молекулы или  кристаллы или
биологические объекты, или же  можно было пытатьсЯ,  исследуЯ атомное Ядро и
его  составные  части,  продвинутьсЯ  до  того  пункта,  в  котором стало бы
понЯтным единство материи.  ”изические исследованиЯ форсированно развивались
в прошедшие десЯтилетиЯ  в обоих направлениЯх. Џоследующее изложение и будет
посвЯщено выЯснению роли квантовой теории в обеих этих областЯх.
     ‘илы между соседними атомами  ЯвлЯютсЯ  в первую очередь электрическими
силами -- речь  идет о притЯжении  противоположных зарЯдов и об отталкивании
между одноименными;  электроны притЯгиваютсЯ  атомным Ядром  и отталкиваютсЯ
другими электронами. Ќо эти силы действуют  здесь не по законам ньютоновской
механики, а по законам квантовой механики.
     ќто  ведет к двум различным типам свЯзи между  атомами. Џри одном  типе
свЯзи электрон одного атома переходит к другому атому, -- например длЯ того,
чтобы  заполнить еще  не совсем заполненную  электронную  оболочку.  ‚  этом
случае  оба  атома оказываютсЯ в  конечном счете электрически  зарЯженными и
получают   название   "ионов";  поскольку   их   зарЯды   в   таком   случае
противоположны, они  взаимно притЯгиваютсЯ.  •имик говорит в  этом случае  о
"полЯрной свЯзи".
     Џри втором типе свЯзи электрон определенным образом, характерным только
длЯ  квантовой теории,  принадлежит обоим  атомам. …сли использовать картину
электронных орбит, то  можно приблизительно сказать, что электрон обращаетсЯ
вокруг  обоих атомных Ядер и значительную долю времени проводит как в одном,
так  и в  другом  атоме. ќтот второй тип свЯзи соответствует тому, что химик
называет "валентной свЯзью".
     ќти  два  типа  свЯзи,  которые  могут  существовать  во   всевозможных
комбинациЯх, вызывают в  конечном  счете образование различных совокупностей
атомов  и оказываютсЯ  в конце концов  определЯющими  все сложные структуры,
которые изучаютсЯ физикой и  химией. €так,  химические соединениЯ образуютсЯ
благодарЯ тому, что из атомов  различного рода возникают небольшие замкнутые
группы, и каждаЯ группа может быть названа молекулой химического соединениЯ.
Џри образовании кристаллов атомы располагаютсЯ в виде упорЯдоченных решеток.
Њеталлы образуютсЯ тогда, когда  атомы расположены так плотно,  что  внешние
электроны  покидают  свои  оболочки и  могут  проходить  сквозь  весь  кусок
металла. Њагнетизм некоторых веществ, особенно некоторых металлов, возникает
вследствие вращательного движениЯ отдельных электронов  в этом  металле и т.
д.
     ‚о  всех этих  случаЯх  дуализм  между материей и  силой еще может быть
сохранен,  так как Ядра  и  электроны можно  рассматривать как  строительные
кирпичи материи, которые удерживаютсЯ вместе с электромагнитными силами.
     ‚ то времЯ как физика и химиЯ  (там, где они имеют отношение к строению
материи) составлЯют единую науку, в биологии с ее более сложными структурами
положение складываетсЯ несколько по-другому. Џравда, несмотрЯ на бросающуюсЯ
в глаза целостность  живых организмов, резкое различие между живой и неживой
материей, вероЯтно,  проведено быть  не может. ђазвитие  биологии  дало  нам
большое   число  примеров,  из  которых   можно   видеть,  что  специфически
биологические функции  могут  выполнЯтьсЯ  особыми  большими  молекулами или
группами, или  цепЯми  таких молекул. ќти примеры  подчеркивают тенденцию  в
современной биологии объЯснЯть  биологические процессы как следствие законов
физики  и  химии.  Ќо  род  стабильности,  который  мы усматриваем  в  живых
организмах,  по  своей  природе несколько  отличен от стабильности атома или
кристалла. ‚ биологии речь идет скорее о  стабильности процесса или функции,
чем о стабильности формы. Ќесомненно, квантово-механические законы играют  в
биологических процессах очень важную  роль. Ќапример, длЯ пониманиЯ  больших
органических   молекул  и  их  разнообразных   геометрических   конфигураций
существенны  специфические  квантово-механические   силы,   которые   только
несколько   неточно  могут  быть   описаны   на  основе  понЯтиЯ  химической
валентности.  Ћпыты  по   биологическим   мутациЯм,  вызываемым  излучением,
показывают     также     как     важность     статистического      характера
квантово-механических законов,  так  и  существование  механизмов  усилениЯ.
’еснаЯ аналогиЯ  между  процессами  в  нашей нервной  системе  и процессами,
которые имеют  место при  функционировании  современной электронной  счетной
машины,   снова  подчеркивает  важность   длЯ  живого   организма  отдельных
элементарных процессов.  Ќо все  эти  примеры  все-таки  не  доказывают, что
физика и химиЯ,  дополненные учением о  развитии, сделают  возможным  полное
описание  живых   организмов.  Ѓиологические  процессы  должны  трактоватьсЯ
естествоиспытателЯми-экспериментаторами   с   большей   осторожностью,   чем
процессы физики  и химии.  Љак  поЯснил  Ѓор,  вполне может  оказатьсЯ,  что
описаниЯ живого организма, которое с точки  зрениЯ физика может быть названо
полным,  совсем не  существует, потому что  данное  описание  потребовало бы
таких  экспериментов,  которые  должны  были бы  прийти  в  слишком  сильный
конфликт  с  биологическими функциЯми  организма. Ѓор  описал  эту  ситуацию
следующим   образом:  в   биологии  мы  имеем  дело  скорее  с   реализацией
возможностей  в  той  части  природы,  к   которой  мы  принадлежим,  чем  с
результатами  экспериментов,  которые  мы  сами  можем  произвести. ‘итуациЯ
дополнительности, в  которой  действенна  эта  формулировка,  отражаетсЯ как
тенденциЯ  в  методах  современной  биологии:  с  одной  стороны,  полностью
использовать методы и результаты физики  и химии и, с другой стороны, все же
постоЯнно употреблЯть понЯтиЯ, которые относЯтсЯ  к тем чертам  органической
природы,  которые  не содержатсЯ в физике и  химии,  как,  например, понЯтие
самой жизни.
     Џока  мы  провели,  следовательно,  анализ  строениЯ  .материи в  одном
направлении -- от атома к более сложным структурам, со-
     стоЯщим из атомов: от атомной физики к физике твердого тела, к химии и,
наконец,  к   биологии.  ’еперь  мы   должны  повернуть  в   противоположном
направлении  и   проследить  линию  исследований,  направленную  от  внешних
областей  атома к  внутренним  областЯм,  к  атомному  Ядру  и,  наконец,  к
элементарным частицам.  ’олько эта втораЯ линиЯ приведет нас, быть  может, к
пониманию   единства   материи.   ‡десь   не   нужно   боЯтьсЯ   того,   что
характеристические структуры будут сами разрушены в  опытах. …сли поставлена
задача  проверить  в  опытах  принципиальное единство материи,  то мы  можем
подвергнуть материю  действию  самых сильных  из возможных сил,  воздействию
самых предельных условий, чтобы  увидеть,  может ли ,в конце  концов материЯ
быть превращена в какую-нибудь другую материю.
     Џервым  шагом в этом направлении был экспериментальный анализ  атомного
Ядра.  ‚  начальные  периоды  этих исследований, которые заполнЯют  примерно
первые  три  десЯтка  лет  нашего  столетиЯ,  единственным инструментом  длЯ
экспериментов   над   атомным   Ядром   были   альфа-частицы,    испускаемые
радиоактивными веществами. ‘  помощью этих частиц ђезерфорду удалось в  1919
году  превратить  друг в друга  атомные  Ядра  легких  элементов.  Ћн  смог,
например, Ядро азота  превратить в Ядро кислорода, присоединЯЯ  к Ядру азота
альфа-частицу и в то же самое  времЯ выбиваЯ  из него протон. ќто был первый
пример  процесса  на  расстоЯниЯх  порЯдка радиусов  атомных  Ядер,  который
напоминал химические процессы, но  который вел к  искусственному превращению
элементов. ‘ледующим решающим успехом было  искусственное ускорение протонов
в  приборах  высокого  напрЯжениЯ  до   энергий,   достаточных  длЯ  Ядерных
превращений. „лЯ этой цели необходимы разности напрЯжений примерно в миллион
вольт,  и  Љокрофту и  “олтону в  их  первом  решающем эксперименте  удалось
превратить атомные Ядра  элемента литиЯ в атомные  Ядра элемента гелиЯ.  ќто
открытие выЯвило длЯ исследований совершенно новое поле,  которое может быть
названо Ядерной физикой в собственном смысле  слова  и которое очень  быстро
привело к качественному пониманию строениЯ атомного Ядра.
     Ќа самом деле  строение атомного Ядра оказалось очень простым.  Ђтомное
Ядро  состоит всего  из двух различных  видов  элементарных частиц. Ћдна  из
элементарных частиц -- протон, ЯвлЯющаЯсЯ одновременно Ядром атома водорода.
„ругаЯ была названа нейтроном, частица, обладающаЯ  примерно той же  массой,
что и протон,  и, кроме того, электрически нейтральнаЯ. Љаждое  атомное Ядро
можно, таким образом, охарактеризовать общим числом протонов и нейтронов, из
которых оно состоит. џдро обычного атома углерода  состоит из 6 протонов и 6
нейтронов. Ќо  есть  также и другие Ядра атомов  углерода,  которые ЯвлЯютсЯ
несколько более  редкими -- они были названы  изотопами первых  -- и которые
состоЯт  из 6 протонов и  7 нейтронов и т.  д. ’ак в  конце концов  пришли к
описанию  материи, в котором  вместо  многих различных химических  элементов
использовались только три основные единицы, три фундаментальных строительных
кирпича -- протон, нейтрон и электрон. ‚сЯ материЯ состоит из
     атомов и построена  поэтому  в  конечном счете  из  этих трех  основных
строительных кирпичей. ќто еще,  конечно, не  означает единства  материи, но
несомненно  означает важный шаг в  направлении этого  единства  и, что было,
пожалуй,  еще важнее, означает  существенное упрощение. Џравда,  впереди был
еще длинный путь от знаниЯ этих основных строительных кирпичей атомного Ядра
к полному  пониманию его строениЯ. ‡десь проблема была несколько отличной от
соответствующей проблемы  относительно  внешней оболочки атома,  решенной  в
середине двадцатых годов. ‚ случае электронной оболочки силы между частицами
были известны с большой точностью,  но, кроме того, должны были быть найдены
динамические  законы, и  они в конце концов  были сформулированы в квантовой
механике.  ‚  случае  атомного  Ядра  можно  было  вполне предположить,  что
динамическими законами ЯвлЯютсЯ в основном законы квантовой теории, но здесь
были  прежде  всего неизвестны  силы  между  частицами.  €х необходимо  было
вывести из  экспериментальных  свойств  атомных Ядер. ќта проблема не  может
быть  решена полностью  еще  до  сих пор.  ‘илы,  вероЯтно, не  имеют такого
простого вида,  как  в случае  электростатических  сил между электронами  во
внешних оболочках, и поэтому математически  вывести свойства атомных Ядер из
более сложных сил труднее, и,  кроме того, прогрессу препЯтствует неточность
экспериментов.  Ќо  качественные  представлениЯ  о структуре  Ядра приобрели
вполне определенный вид.
     ‚ конце  концов,  в  качестве  последней  важнейшей  проблемы  остаетсЯ
проблема единства материи.  џвлЯютсЯ ли эти  элементарные частицы -- протон,
нейтрон  и  электрон  последними,   неразложимыми   строительными  кирпичами
материи,  иными  словами,  "атомами"  в  смысле  философии   „емокрита,  без
каких-либо взаимных свЯзей  (отвлекаЯсь от действующих между  ними сил), или
же  они ЯвлЯютсЯ только различными  формами  одного и того же вида  материи?
„алее, могут  ли  они  превращатьсЯ  друг  в  друга или даже  в другие формы
материи? …сли  решать эту проблему экспериментально,  то длЯ этого требуютсЯ
силы и  сконцентрированные на атомных частицах  энергии, которые должны быть
во  много  раз  больше,  чем те, которые были использованы длЯ  исследованиЯ
атомного Ядра. ’ак как запасы энергии  в  атомных Ядрах недостаточно велики,
чтобы обеспечить нам средства длЯ проведениЯ  таких экспериментов, то физики
должны  или воспользоватьсЯ силами в космосе, то есть  в  пространстве между
звездами,  на  поверхности  звезд,  или  же  они  должны  доверитьсЯ  умению
инженеров.
     Ќа  самом  деле успехи  были достигнуты на обоих  путЯх.  Џрежде  всего
физики  использовали так называемое космическое  излучение. ќлектромагнитные
полЯ  на поверхности звезд, простирающиесЯ на гигантские  пространства,  при
благоприЯтных  условиЯх могут ускорить зарЯженные атомные частицы, электроны
и атомные  Ядра, которые,  как оказалось, вследствие своей  большей  инерции
имеют больше возможностей более долгое времЯ оставатьсЯ в ускорЯющем поле, и
когда они в конце концов уходЯт с поверхности звезды в пустое про-
     странство,  то  иногда  успевают  пройти  потенциальные полЯ  во  много
миллиардов вольт. „альнейшее ускорение при благоприЯтных условиЯх происходит
еще  в  переменных  магнитных  полЯх  между   звездами.  ‚о  всЯком  случае,
оказываетсЯ,   что  атомные  Ядра  долгое   времЯ  удерживаютсЯ  переменными
магнитными  полЯми  в  пространстве ѓалактики, и в  конце  концов они, таким
образом,  заполнЯют  пространство  ѓалактики тем,  что называют  космическим
излучением. ќто излучение достигает ‡емли извне и, следовательно, состоит из
всех возможных атомных Ядер -- водорода, гелиЯ и более тЯжелых элементов, --
энергии  которых  изменЯютсЯ   примерно  от   сотен  или   тысЯч   миллионов
электрон-вольт  до  величин,  в  миллион раз  больших.  Љогда частицы  этого
высотного  излучениЯ   вторгаютсЯ  в  верхние   слои  атмосферы  ‡емли,  они
сталкиваютсЯ здесь с  атомами  азота  или  кислорода атмосферы  или  атомами
какого-либо  экспериментального устройства,  которое подвергают  воздействию
космического излучениЯ. ђезультаты воздействиЯ могут быть затем исследованы.
     „ругаЯ возможность состоит в  конструировании очень больших ускорителей
элементарных  частиц.  ‚ качестве прототипа  длЯ  них  может  считатьсЯ  так
называемый циклотрон,  который  был сконструирован  в  Љалифорнии  в  начале
тридцатых годов ‹оуренсом. ЋсновнаЯ идеЯ  конструкции этих установок состоит
в  том, что благодарЯ сильному магнитному полю  зарЯженные  атомные  частицы
принуждают многократно вращатьсЯ по кругу, так что они на этом круговом пути
могут снова  и  снова  ускоритьсЯ электрическим полем. “становки,  в которых
могут быть достигнуты  энергии во  много сотен миллионов  электрон-вольт,  в
настоЯщее времЯ действуют  во многих местах земного шара, главным образом  в
‚еликобритании.  ЃлагодарЯ  сотрудничеству  12  европейских стран  в  †еневе
строитсЯ  очень большой ускоритель такого рода, который, как надеютсЯ, будет
давать  протоны  энергией  до  25  миллионов  электрон-вольт.  ќксперименты,
проведенные  с помощью космического излучениЯ или очень больших ускорителей,
выЯвили  новые  интересные черты  материи. Љроме трех  основных строительных
кирпичей материи -- электрона,  протона  и нейтрона, --  были  открыты новые
элементарные  частицы, которые  порождаютсЯ в этих  происходЯщих при высоких
энергиЯх  столкновениЯх   и   которые  по   истечении   исключительно  малых
промежутков времени  исчезают,  превращаЯсь  в другие элементарные  частицы.
Ќовые  элементарные частицы имеют свойства, подобные  свойствам  старых,  за
исключением  своей  нестабильности.  „аже   самые  стабильные   среди  новых
элементарных частиц  имеют  продолжительность жизни только  около миллионной
доли секунды,  а времЯ жизни других -- еще в сотни  или тысЯчи раз меньше. ‚
настоЯщее  времЯ  известно  приблизительно  25  различных видов элементарных
частиц.  ‘амаЯ "молодаЯ" из них  -- отрицательно зарЯженный  протон, который
называют антипротоном.
     ќти результаты кажутсЯ на первый взглЯд опЯть  уводЯщими  в сторону  от
идей о единстве материи, так как число фундаментальных строительных кирпичей
материи, по-видимому, снова увеличи-
     лось  до  количества,  сравнимого  с  количеством различных  химических
элементов.  Ќо  это было бы неточным  толкованием действительного  положениЯ
вещей. ‚едь  эксперименты одновременно  показали, что  частицы  возникают из
других частиц и могут быть превращены в другие  частицы, что  они образуютсЯ
просто из кинетической энергии таких частиц и могут снова исчезнуть, так что
из них возникнут другие частицы. ‘тало  быть,  другими словами: эксперименты
показали   полную  превращаемость  материи.   ‚се  элементарные   частицы  в
столкновениЯх достаточно большой энергии могут превратитьсЯ в другие частицы
или  могут  быть  просто  созданы  из  кинетической  энергии;  и  они  могут
превратитьсЯ в энергию, например в излучение. ‘ледовательно, мы  имеем здесь
фактически окончательное доказательство  единства  материи. ‚се элементарные
частицы  "сделаны" из  одной и  той  же  субстанции,  из одного  и  того  же
материала,  который мы  теперь  можем  назвать  энергией  или  универсальной
материей;  они  --  только  различные  формы, в  которых  может  проЯвлЯтьсЯ
материЯ.
     …сли  сравнить эту ситуацию с понЯтием материи и формы у ЂристотелЯ, то
можно сказать, что материю ЂристотелЯ, котораЯ в  основном была "потенцией",
то  есть  возможностью,  следует сравнивать  с нашим понЯтием энергии; когда
элементарнаЯ  частица рождаетсЯ,  энергиЯ  выЯвлЯет себЯ благодарЯ форме как
материальнаЯ реальность.
     ‘овременнаЯ  физика  не  может,  естественно,   удовлетворитьсЯ  только
качественным  описанием   фундаментальной  структуры   материи;  она  должна
попытатьсЯ на основе тщательно  проведенных экспериментов углубить анализ до
математической формулировки законов  природы, определЯющих формы  материи, а
именно элементарные частицы и их силы. —еткое разграничение между материей и
силой  или силой и веществом  в  этой части физики больше проведено быть  не
может, так как любаЯ элементарнаЯ частица  не только сама порождает  силы  и
сама испытывает воздействие сил, но и в то же самое  времЯ сама представлЯет
в  данном  случае определенное силовое поле.  Љвантово-механический  дуализм
волн и частиц  ЯвлЯетсЯ причиной того, что одна и та же реальность проЯвлЯет
себЯ и как материЯ, и как сила.
     ‚се попытки найти  математическое  описание длЯ законов природы в  мире
элементарных частиц до сих пор начинались с квантовой теории волновых полей.
’еоретические  исследованиЯ  в   этой  области  были  предпринЯты  в  начале
тридцатых годов. Ќо уже первые работы в этой области выЯвили очень серьезные
трудности в области, где квантовую теорию пытались объединить со специальной
теорией  относительности.  ‘  первого взглЯда  кажетсЯ,  будто  две  теории,
квантоваЯ и теориЯ  относительности,  относЯтсЯ  к  столь различным сторонам
природы,  что практически они никак  не могут  влиЯть  друг  на друга  и что
поэтому требованиЯ обеих теорий должны быть легко выполнимы в одном и том же
формализме.  Ќо  более точное  исследование показало,  что  обе  эти  теории
вступают в определенном пункте  в конфликт, в результате чего  и проистекают
все дальнейшие трудности.
     ‘пециальнаЯ теориЯ относительности  раскрыла  структуру пространства  и
времени, котораЯ оказалась несколько  отличной от структуры, приписывавшейсЯ
им со времени  созданиЯ  ньютоновской механики. Ќаиболее  характернаЯ  черта
этой  вновь  открытой  структуры  --  существование  максимальной  скорости,
котораЯ   не   может   быть   превзойдена   любым   движущимсЯ   телом   или
распространЯющимсЯ сигналом, то есть скорости света. Љак следствие этого два
событиЯ,  имеющие  место  в двух весьма удаленных друг  от друга точках,  не
могут  иметь никакой непосредственной причинной свЯзи, если они происходЯт в
такие  моменты  времени, когда световой  сигнал, выходЯщий в  момент первого
событиЯ  из этой  точки, достигает  другой только  после  момента  свершениЯ
другого событиЯ  и  наоборот.  ‚  этом  случае  оба  событиЯ  можно  назвать
одновременными.  Џоскольку  никакое  воздействие  любого   рода   не   может
передатьсЯ от  одного  процесса в  один момент  времени  другому процессу  в
другой момент времени, оба процесса не могут быть свЯзаны никаким физическим
воздействием.
     Џо этой причине действие на большие расстоЯниЯ так, как оно выступает в
случае сил  тЯготениЯ  в ньютоновской механике,  оказалось  несовместимым со
специальной теорией относительности. ЌоваЯ теориЯ должна была заменить такое
действие "близкодействием",  то есть передачей  силы из  одной  точки только
непосредственно  соседней  точке.  …стественным  математическим   выражением
взаимодействий этого рода оказались  дифференциальные уравнениЯ длЯ волн или
полей,    инвариантные    относительно    преобразованиЯ   ‹оренца.    ’акие
дифференциальные   уравнениЯ   исключают   какое-либо   прЯмое   воздействие
одновременных событий друг на друга.
     Џоэтому   структура  пространства  и  времени,  выражаемаЯ  специальной
теорией    относительности,    предельно    резко   отграничивает    область
одновременности, в которой не  может  быть передано никакое  воздействие, от
других областей, в которых  непосредственное воздействие одного процесса  на
другой может иметь место.
     ‘  другой  стороны,   соотношение  неопределенностей  квантовой  теории
устанавливает жесткую границу  точности,  с  которой могут быть одновременно
измерены координаты  и  импульсы  или  моменты времени и  энергии.  ’ак  как
предельно  резкаЯ граница означает бесконечную точность фиксации положениЯ в
пространстве и во времени, то соответствующие импульсы и энергии должны быть
полностью  неопределенными,  то  есть   с  подавлЯющей  вероЯтностью  должны
выступить на первый план процессы даже со сколь угодно большими импульсами и
энергиЯми. Џоэтому всЯкаЯ теориЯ, котораЯ одновременно выполнЯет  требованиЯ
специальной теории относительности и квантовой теории, ведет, оказываетсЯ, к
математическим  противоречиЯм,  а  именно к  расходимостЯм  в  области очень
больших  энергий  и  импульсов.  ќти  выводы  не  обЯзательно  могут  носить
необходимый характер,  так  как  всЯкий формализм рассмотренного  здесь рода
ЯвлЯетсЯ   ведь  очень  сложным,   и  возможно   еще,   что   будут  найдены
математические  средства,  которые   помогут   устранить   в   этом   пункте
противоречие между теорией относительности и квантовой теорией. Ќо
     до сих пор все-таки все математические схемы, которые были исследованы,
приводили в  самом  деле  к  таким расходимостЯм, то есть  к  математическим
противоречиЯм, или  же  они  оказывались недостаточными, чтобы удовлетворить
всем требованиЯм обеих теорий.  Љроме  того, было очевидно, что трудности  в
самом деле проистекают из только что рассмотренного пункта.
     ’от пункт, в  котором  сходЯщиесЯ математические схемы не удовлетворЯют
требованиЯм  теории  относительности  или  квантовой  теории, оказалсЯ очень
интересным уже сам  по  себе. Ћдна  из таких схем  вела, например,  когда ее
пытались интерпретировать  с  помощью  реальных  процессов в  пространстве и
времени, к  некоторого  рода  обращению  времени; она описывала  процессы, в
которых  в  определенной  точке  внезапно  происходило  рождение  нескольких
элементарных частиц,  а энергиЯ длЯ  этого процесса поступала только позднее
благодарЯ   каким-то  другим   процессам  столкновениЯ  между  элементарными
частицами. ”изики же на основании своих экспериментов убеждены, что процессы
такого рода  в природе не имеют  места, по  крайней  мере  тогда,  когда оба
процесса  отделены  друг  от  друга   некоторым  измеримым   расстоЯнием   в
пространстве и во времени.
     ‚ другой теоретической схеме попытка устранить расходимости  формализма
делалась   на   основе   математического  процесса,   который   был   назван
"перенормировкой".  ќтот  процесс  заключаетсЯ  в   том,  что  бесконечности
формализма можно было передвинуть в такое место,  где они не могут  помешать
получению строго  определЯемых  соотношений  между  наблюдаемыми величинами.
„ействительно, эта  схема уже привела  до  определенной степени  к  решающим
успехам  в квантовой  электродинамике,  так  как  она  дает  способ  расчета
некоторых очень интересных особенностей в спектре водорода, которые до этого
были  необъЯснимы. Ѓолее  точный  анализ  этой математической схемы  сделал,
однако,  правдоподобным вывод  о  том, что  те величины,  которые в  обычной
квантовой  теории  должны  быть истолкованы  как вероЯтности, могут в данном
случае при некоторых обстоЯтельствах,  после того как процесс перенормировки
проведен,   стать    отрицательными.    ќто   исключало    бы,   разумеетсЯ,
непротиворечивое  истолкование  формализма длЯ  описаниЯ  материи,  так  как
отрицательнаЯ вероЯтность -- бессмысленное понЯтие.
     ’ем  самым мы уже пришли  к  проблемам,  которые  ныне стоЯт  в  центре
дискуссий  в   современной  физике.  ђешение   будет  получено  когда-нибудь
благодарЯ постоЯнно  обогащающемусЯ  экспериментальному  материалу,  который
добываетсЯ во все более  и более  точных измерениЯх  элементарных частиц, их
порождениЯ и уничтожениЯ, сил, действующих между ними. …сли искать возможные
решениЯ этих трудностей, то, может быть, следует вспомнить о том, что  такие
процессы с видимым обращением времени, обсужденные выше, нельзЯ исключить на
основании экспериментальных данных в том случае, если они имеют место только
внутри  совсем  малых  пространственно-временных областей, внутри  которых с
нашим   теперешним   экспериментальным  оборудованием  детально   проследить
процессы еще не-
     возможно. ђазумеетсЯ, при теперешнем состоЯнии нашего знаниЯ мы едва ли
готовы признать возможность таких  процессов с  обращением времени, если  из
этого и следует возможность на какой-то более поздней стадии развитиЯ физики
наблюдать подобного рода процессы  таким же образом, каким наблюдают обычные
атомные  процессы.  Ќо  здесь  сравнение анализа квантовой теории  и анализа
теории относительности позволЯет представить проблему в новом свете.
     ’еориЯ относительности свЯзана с универсальной постоЯнной природы -- со
скоростью  света. ќта  постоЯннаЯ  имеет решающее значение длЯ  установлениЯ
свЯзи  между  пространством  и  временем  и  поэтому  должна  сама  по  себе
содержатьсЯ   во   всЯком   законе  природы,   удовлетворЯющем   требованиЯм
инвариантности  относительно  преобразований  ‹оренца.  Ќаш  обычный  Язык и
понЯтиЯ  классической  физики  могут быть  применены  только к ЯвлениЯм, длЯ
которых скорость света может рассматриватьсЯ практически бесконечно большой.
…сли  мы  в  наших экспериментах  в какой-либо форме приближаемсЯ к скорости
света, то мы должны быть подготовлены к поЯвлению результатов, которые более
не могут быть объЯснены с помощью этих обыкновенных понЯтий.
     ЉвантоваЯ теориЯ свЯзана с другой универсальной постоЯнной природы -- с
планковским квантом  действиЯ. Ћбъективное описание процессов в пространстве
и во  времени  оказываетсЯ возможным только  тогда,  когда  мы  имеем дело с
предметами  и  процессами сравнительно больших  масштабов,  а  именно  тогда
постоЯнную  Џланка  можно  рассматривать как практически  бесконечно  малую.
Љогда мы в наших экспериментах приближаемсЯ к области, в которой планковский
квант действиЯ становитсЯ существенным, мы приходим ко всем тем трудностЯм с
применением обычных понЯтий, которые были обсуждены в предыдущих главах этой
книги.
     Ќо должна быть еще третьЯ универсальнаЯ постоЯннаЯ природы. ќто следует
просто,  как  говорЯт  физики,  из  соображений  размерности.  “ниверсальные
постоЯнные   определЯют  величины  масштабов  в   природе,   они  дают   нам
характеристические величины,  к которым можно  свести все  другие величины в
природе.  „лЯ  полного набора таких единиц необходимы,  однако, три основные
единицы.  Џроще  всего  заключить об  этом  можно из  обычных  соглашений  о
единицах, как, например, из использованиЯ физиками системы CQS (сантиметр --
грамм -- секунда).  …диницы длины, единицы времени  и единицы  массы  вместе
достаточно, чтобы образовать полную систему. Ќеобходимы по  меньшей мере три
основные  единицы. €х можно было бы заменить также единицами длины, скорости
и  массы или единицами длины, скорости и  энергии и  т.  д. Ќо  три основные
единицы необходимы  во всЯком случае.  ‘корость света  и  планковский  квант
действиЯ дают нам,  однако,  только  две  из этих  величин. „олжна  быть еще
третьЯ, и только теориЯ, содержащаЯ такую третью единицу, возможно, способна
вести к определению масс и других свойств элементарных частиц. …сли исходить
из наших современных познаний об
     элементарных частицах,  то, пожалуй, самым простым  и  самым приемлемым
путем введениЯ  третьей  универсальной  постоЯнной  ЯвлЯетсЯ предположение о
том,  что существует универсальнаЯ длина порЯдка величины  10-13 см,  длина,
стало  быть,  сравнимаЯ  примерно с  радиусами легких атомных Ядер. …сли из.
этих трех единиц  образовать выражение, имеющее размерность  массы,  то  эта
масса имеет порЯдок величины массы обычных элементарных частиц.
     …сли  предположить, что  законы  природы  действительно  содержат такую
третью универсальную постоЯнную размерности длины порЯдка величины 10-13 см,
то  тогда  вполне  возможно,  что  наши  обычные  представлениЯ  могут  быть
применимы только к таким областЯм пространства и времени, которые  велики по
сравнению с этой универсальной постоЯнной длины. Џо мере приближениЯ в своих
экспериментах  к областЯм  пространства  и  времени,  малым по  сравнению  с
радиусами атомных Ядер, мы  должны быть готовы к тому, что будут наблюдатьсЯ
процессы качественно нового характера. џвление  обращениЯ времени, о котором
говорилось  выше  и  пока  что  только  как  о  возможности,  выводимой   из
теоретических соображений,  могло  бы  поэтому принадлежать  этим мельчайшим
пространственно-временным  областЯм. …сли это так, то, вероЯтно, его было бы
нельзЯ наблюдать  таким  образом,  что соответствующий  процесс  мог бы быть
описан в классических понЯтиЯх. € все  же в той мере, в какой такие процессы
могут быть  описаны классическими понЯтиЯми, они должны обнаруживать также и
классический  порЯдок следованиЯ во времени.  Ќо  пока  о процессах  в самых
малых  пространственно-временных областЯх -- или  (что согласно  соотношению
неопределенностей приблизительно соответствует этому высказыванию) при самых
больших передаваемых энергиЯх и импульсах -- известно слишком мало.
     ‚ попытках достичь на основе экспериментов  над элементарными частицами
большего знаниЯ о законах природы, определЯющих строение материи и тем самым
структуру элементарных  частиц,  особенно  важную роль  играют  определенные
свойства  симметрии. Њы  напомним  о  том,  что в  философии  Џлатона  самые
маленькие  частицы материи  были  абсолютно  симметричными образованиЯми,  а
именно правильными  телами  -- кубом, октаэдром,  икосаэдром, тетраэдром.  ‚
современной физике, правда, эти специальные  группы симметрии,  получающиесЯ
из группы вращений в  трехмерном  пространстве,  не  стоЯт  больше  в центре
вниманиЯ. ’о, что  имеет  место в  естествознании нового времени,  ни в коем
случае не  ЯвлЯетсЯ  пространственной  формой, а  представлЯет  собой закон,
стало  быть,  в  определенной  степени  пространственно-временную  форму,  и
поэтому  применЯемые  в нашей  физике  симметрии должны  всегда относитьсЯ к
пространству и времени совместно. Ќо определенные типы симметрии, кажетсЯ, в
действительности играют в теории элементарных частиц наиболее важную роль.
     Њы познаем их эмпирически благодарЯ так называемым законам сохранениЯ и
благодарЯ  системе квантовых чисел,  с  помощью  которых  можно  упорЯдочить
соответственно опыту событиЯ в мире эле-
     ментарных  частиц.   Њатематически  мы  можем  их  выразить  с  помощью
требованиЯ,  чтобы  основной  закон  природы  длЯ  материи был  инвариантным
относительно  определенных  групп преобразований. ќти  группы преобразований
ЯвлЯютсЯ  наиболее простым математическим выражением  свойств симметрии. Ћни
выступают  в  современной физике  вместо тел Џлатона. Ќаиболее  важные здесь
кратко перечислены.
     ѓруппа  так  называемых  преобразований  ‹оренца характеризует вскрытую
специальной теорией относительности структуру пространства и времени.
     ѓруппа,  исследованнаЯ Џаули и ѓюрши, соответствует  по своей структуре
группе трехмерных пространственных вращений -- она ей изоморфна, как говорЯт
математики, --  и  проЯвлЯет  себЯ  в  поЯвлении квантового  числа,  которое
эмпирически было открыто у элементарных частиц уже двадцать пЯть лет назад и
получило название "изоспин".
     „ве следующие группы, ведущие себЯ формально как группы вращений вокруг
жесткой оси, приводЯт к законам  сохранениЯ длЯ зарЯда, длЯ числа барионов и
длЯ числа лептонов.
     Ќаконец,  законы  природы  должны  быть  инвариантны  еще  относительно
определенных  операций  отражениЯ,  которые  здесь  нет  нужды   перечислЯть
подробно.  Џо  этому  вопросу  особенно  важными  и плодотворными