Если мы хотим точнее определить положение частицы, т. е. ограничить ее существование меньшим пространством, нам нужно сжать «пакет» до области ее существования.

Рис. 31. Сжатие волнового пакета

При этом, правда, изменится длина волны этого пакета, а следовательно, и скорость частицы. В результате она продолжит двигаться, и чем меньше станет пространство, тем выше будет скорость ее перемещений.

Тенденция частиц реагировать на сжатие увеличением скорости говорит о природной «неуспокоенности» материи, характерной для субатомного мира. Здесь большинство частиц связано с молекулярными, атомными и ядерными структурами, поэтому они находятся в состоянии не покоя, а хаотичного движения — они подвижны по своей природе. Квантовая теория показывает, что вещество постоянно движется. В макроскопическом мире тела, окружающие нас, кажутся пассивными и неподвижными. Но стоит взять в руки увеличительное стекло, и «мертвый» камень или металл сразу обнаруживают неопровержимые доказательства своей динамической сущности. Чем больше увеличение, тем более динамична наблюдаемая картина. Все материальные объекты состоят из атомов, объединенных внутримолекулярными связями различного типа и образующих бесчисленные молекулярные структуры. Они не статичны: они находятся в беспрестанном хаотическом колебательном движении, характер которого зависит от окружающей температуры и ее колебаний. Электроны в атомах удерживаются поблизости от ядра электрическими силами, и они реагируют на ограниченность пространства тем, что увеличивают свою скорость. Протоны и нейтроны втягиваются ядерными силами в еще более тесное пространство, поэтому движутся с еще более высокими, невообразимыми скоростями.

Поэтому современные физики представляют материю не как пассивную и инертную, а как пребывающую в непрестанном танце и вибрации, ритм которых определяется молекулярными, атомарными и ядерными структурами. Так же видят материальный мир и восточные мистики. Все они подчеркивают, что Вселенную надо рассматривать как динамическое целое, так как она движется, вибрирует и танцует; что природа пребывает не в статическом, а в динамическом равновесии. В одном из даосских текстов говорится следующее.

Покой в покое не есть истинный покой. Только тогда, когда покой в движении, может проявиться духовный ритм, который наполняет собой Небеса и Землю[185].

В физике динамическая природа мироздания становится очевидной для нас не только при погружении в мир бесконечно малого, т. е. атомов и ядер, но и при изучении гигантских сущностей, например звезд и галактик. Мощные телескопы позволяют ученым видеть беспрестанное движение во Вселенной. Вращающиеся облака газообразного водорода сжимаются до размера звезд. При этом их внутренняя температура во много раз возрастает, пока они не превращаются в пылающие факелы на небосклоне. Достигнув этой стадии, облака водорода продолжают вращаться, время от времени выбрасывая в пространство сгустки вещества, которые, конденсируясь, превращаются в планеты, движущиеся по орбитам вокруг звезд. Через миллионы лет, когда водородное топливо подходит к концу, звезда начинает увеличиваться в размерах, а затем снова сжимается, завершая свое существование гравитационным коллапсом. В результате могут произойти грандиозные взрывы, а звезда — стать черной дырой. Все эти процессы — от образования звезды из межзвездных газовых облаков до их сжатия и коллапса — происходят в различных уголках Вселенной и сейчас.

Совокупности вращающихся, расширяющихся, сжимающихся и взрывающихся звезд образуют галактики разной формы: плоские диски, сферы, спирали и т. д., — которые тоже не неподвижны, а непрерывно вращаются. Наша галактика, Млечный Путь, — огромный диск, состоящий из звезд и газообразных скоплений веществ, вращающихся в пространстве подобно гигантскому колесу. При этом все входящие в галактику звезды, включая Солнце и его планеты, также движутся вокруг центра этой галактики. Фактически Вселенная состоит из колоссального множества галактик, рассеянных в бескрайнем пространстве. И все они вращаются, как и наша.

Изучая Вселенную как единое космическое целое с миллионами галактик, мы сталкиваемся с высшими масштабами пространственно-временного континуума и с удивлением обнаруживаем, что и здесь Вселенная не статична — она расширяется! Это явление было одним из важнейших открытий современной астрономии. Тщательный анализ световых волн, достигших нашей планеты из отдаленных галактик, позволил ученым обнаружить, что россыпь галактик постоянно расширяется по строгим законам. Скорость удаления любой из них от наблюдателя прямо пропорциональна разделяющему их расстоянию: при его двукратном увеличении скорость тоже возрастает вдвое. Это утверждение верно не только для нашей галактики, но и для остальных. В какой бы галактике мы ни оказались, остальные — соседние — будут удаляться от нас: ближние — со скоростью несколько тысяч километров в секунду, а дальние — почти со световой. Свет, исходящий от еще более удаленных галактик, не может дойти до нас, потому что они удаляются от Земли быстрее скорости света[186]. Говоря словами английского астрофизика сэра Артура Эддингтона, их свет «похож на бегуна, движущегося по дорожке стадиона, которая постоянно удлиняется, так что финишная черта удаляется от него быстрее, чем он может бежать».

Чтобы лучше понимать, как именно расширяется Вселенная, нужно не забывать, что явления макромира следует рассматривать в контексте общей теории относительности Эйнштейна. Согласно ей, пространство не «плоское», а «искривленное», причем характер искривления зависит от распределения вещества во Вселенной. Эту зависимость описывает выведенное Эйнштейном уравнение поля. Оно положено в основу современной космологии и характеризует общую структуру Вселенной.

Говоря о расширяющейся Вселенной в контексте общей теории относительности, мы имеем в виду более высокое измерение. Здесь тоже уместно обратиться к плоскостной аналогии. Представим воздушный шарик, поверхность которого усеяна множеством точек (рис. 32). Он изображает Вселенную, его двумерная искривленная поверхность — двумерную плоскость, а точки на ней — галактики Вселенной. Когда мы надуваем шарик, расстояния между точками увеличиваются. Если мы находимся на одной из них, все остальные будут удаляться от нас. Так же происходит расширение Вселенной: в какой бы галактике ни оказался наблюдатель, остальные галактики будут удаляться от него.

Рис. 32. Плоскостная аналогия расширяющейся Вселенной

Возникает естественный вопрос: как началось это расширение? Приняв в расчет зависимость между удаленностью галактики и текущей скоростью ее удаления от нас (она известна под названием закона Хаббла[187]), можно вычислить, в какой момент началось расширение Вселенной, т. е. определить ее возраст.

Если мы предположим, что скорость расширения не менялась (а это отнюдь не очевидно), то получим оценку в 10 млрд лет. Это и есть возраст Вселенной[188]. Большинство современных ученых-космологов считают, что Вселенная возникла в результате катастрофического события — взрыва первичного сгустка вещества, происшедшего более 10 млрд лет назад. Зафиксированное в наши дни расширение Вселенной — «отголосок» этого давнего события. Согласно теории Большого взрыва, в момент, когда он произошел, возникла Вселенная и появились пространство и время. Если мы попытаемся представить себе, что предшествовало этому, мы снова попадем в тупик из-за особенностей нашего мышления и языка. Вот как об этом говорил известный английский астроном сэр Бернард Ловелл.

Здесь перед нами вырастает непреодолимый психологический барьер, связанный с тем, что мы начинаем испытывать сложности с понятиями пространства и времени, которые раньше мы воспринимали на основе нашего повседневного опыта. У меня при этом появляется ощущение, будто я внезапно въехал на машине в полосу густого тумана, в котором знакомый мир исчезает[189].

Что касается будущего расширения Вселенной, то уравнения Эйнштейна не дают однозначного ответа. Они имеют несколько возможных решений, соответствующих разным моделям. Некоторые предполагают, что расширение будет продолжаться бесконечно; согласно другим, оно уже замедляется и может смениться процессом сжатия. Эти модели описывают «пульсирующую Вселенную», которая сначала в течении миллиардов лет расширяется, а потом снова сжимается, пока не превратится в небольшой шар огненного вещества, после чего снова начнет расширяться, и так до бесконечности.

Концепция расширяющейся и сжимающейся Вселенной, существующей в необъятном пространстве и времени, создана не только современными физиками. Такое же представление существовало и в древней индийской мифологии. Индусы, считавшие, что мирозданию присущи два фундаментальных качества — гармоничность и ритмичность всех процессов, — создали эволюционные космологические модели Вселенной, которые довольно близки к современным теориям. Одна основана на индуистской легенде о Ма — божественном представлении, в котором Брахман трансформируется в этот мир. Эта модель связана с индуистским понятием лила — «божественная игра». Лила имеет фазы, которые ритмически сменяют друг друга: космическое Целое дает начало множественности форм, которые вновь сливаются в Целом. Всё это происходит с четкой периодичностью. В «Бхагавадгите» Кришна использует для описания этой божественной игры творения следующие слова.

К Моей пракрити вечной все твари устремляются с гибелью мира; когда ж новый век мира приходит, Я их вновь из себя порождаю. Я рождаю снова и снова всех существ неисчетные толпы, в своей пракрити их зачиная, их, бессильных. Моею силой. Но не сковывают, Дхананджая, Меня действия узами кармы; их свершая, Я к ним не привязан, словно зритель — всегда безучастен. Под Моим наблюденьем природа неживое с живым рождает; такова здесь причина, чьей силой колесо обращается мира[190].

Индуистские мудрецы не боялись распространять это божественное представление на всё мироздание. Они считали, что Вселенная претерпевает периодические, чередующиеся процессы сжатия и расширения, и называли непостижимые для разума промежутки времени между началом и концом одного сотворения Вселенной кальпами. Масштаб картины, нарисованной древними индуистами, поразителен. Чтобы прийти к схожим идеям научным путем, человечеству понадобилось больше двух тысячелетий.

Вернемся из макромира, расширяющейся Вселенной, в мир бесконечно малого. В XX в. ученые всё глубже проникали в мир субмикроскопических измерений, где действуют атомы, ядра и находящиеся в них частицы. Главным стимулом для этих исследований был вопрос, занимавший величайшие умы на протяжении столетий: «Из чего состоит материя?» Люди размышляли над ним с момента возникновения натурфилософии, пытаясь найти «базовое вещество». Но только недавно стало возможно искать ответ с помощью строгих экспериментов. Сложнейшие приборы позволили ученым заглянуть сначала во внутренний мир атома и узнать, что он состоит из ядра и электронов, а затем исследовать строение ядер, компонентами которых оказались протоны и нейтроны, получившие общее наименование нуклонов. С 1960-х наука сделала шаг вперед, добившись значительных успехов в изучении строения нуклонов — компонентов атомного ядра. Они тоже не представляются последним уровнем элементарных частиц и состоят из более мелких частей.

Первый шаг в мир атомов привел к тому, что представление физиков о материи изменилось кардинально. Второй шаг — проникновение в мир атомных ядер и их компонентов — был ничуть не менее значимым. В этом мире нам приходится иметь дело с величинами в сотни тысяч раз меньшими, чем размеры атома, что обусловливает их более высокую скорость. Они движутся гораздо быстрее, чем частицы во внутриатомном пространстве — так быстро, что для их описания необходима специальная теория относительности. Поэтому для понимания свойств субатомных частиц и характера их взаимодействий используется подход, который сочетает квантовую теорию с теорией относительности; причем именно последняя заставляет нас изменить свои представления о природе материи.

Важнейшая характерная особенность релятивистского подхода состоит в том, что он объединяет фундаментальные понятия, которые ранее представлялись самостоятельными. Один из самых важных примеров — эквивалентность массы и энергии, сформулированная Эйнштейном в виде знаменитого уравнения Е = mc2. Чтобы уяснить ее фундаментальное значение, рассмотрим понятия массы и энергии по отдельности.

Энергия — одно из важнейших понятий, используемых для описания природных явлений. Как и в повседневной жизни, в физике мы говорим, что тело обладает некоторой энергией, если оно способно совершить какую-либо работу. Энергия принимает множество разных форм: движения, тепловая, гравитации, электрическая, химическая и др. Например, камень, поднятый на некоторую высоту над землей, обладает гравитационной энергией. Если его бросить вниз, то последняя преобразуется в энергию движения (кинетическую), а при падении на землю он может совершить механическую работу, разбив что-нибудь. Более конструктивный пример — преобразование электрической или химической энергии в бытовых приборах в тепловую. В физике энергия всегда связана с протеканием тех или иных процессов, и фундаментальное значение этого понятия заключается в том, что общее количество энергии, принимающей участие в процессе, подчиняется закону сохранения. Энергия может изменить свою форму самым сложным образом, но никакая ее часть не теряется. Закон сохранения энергии принадлежит к числу важнейших законов физики. Ему подчиняются все известные законы природы, и до сих пор не было обнаружено никаких свидетельств его нарушения.

Масса тела — мера его собственного веса, т. е. гравитационного воздействия на него. Кроме того, масса характеризует инерцию тела, его сопротивление ускоряющим силам. Тяжелые тела сложнее привести в движение, чем легкие. Это известно каждому, кто хоть раз пытался сдвинуть с места машину. В классической физике понятие массы ассоциировалось также с представлениями о неуничтожаемой материальной субстанции — «материи», из которой должны состоять все вещи. Масса, как и энергия, подчиняется закону сохранения и не может исчезать.

Но теория относительности утверждает, что масса — не что иное, как одна из форм энергии. Энергия может не только принимать различные формы, которые были известны в классической физике, но и быть «законсервирована» в массе тела. Количество энергии, содержащееся, например, в частице, эквивалентно массе частицы, помноженной на скорость света в квадрате:

Будучи формой энергии, масса теряет свойство неуничтожимости и способна свободно преобразовываться в другие формы энергии. Последнее имеет место при столкновениях субатомных частиц. При этом некоторые частицы могут быть разрушены, а энергия, содержащаяся в их массе, преобразоваться в кинетическую и распределиться между другими частицами, участвующими в столкновении. А при столкновении частиц, движущихся с очень высокими скоростями, их кинетическая энергия может использоваться для образования новых частиц.

Следующая фотография (рис. 33) демонстрирует особый пример такого столкновения: протон влетает в пузырьковую камеру слева, выбивает электрон из атома (спиральный след), а затем сталкивается с еще одним протоном, создавая в процессе 16 новых частиц.

Рис. 33. Иллюстрация столкновения протона и электрона

Создание и уничтожение материальных частиц — одно из самых впечатляющих следствий эквивалентности энергии и массы. В процессе столкновений в экспериментах в физике высоких энергий масса уже не сохраняется. Сталкивающиеся частицы могут быть уничтожены, а энергия, заключенная в них, частично перейти в массы частиц, а частично — преобразоваться в кинетическую энергию новых участников процесса. В ходе таких столкновений сохраняется суммарная энергия — кинетическая и масс частиц. Сталкивание субатомных частиц друг с другом становится важнейшим инструментом для изучения свойств массы и энергии и их взаимоотношений. Последние подтверждались много раз; для ученых, занимающихся физикой частиц, эквивалентность массы и энергии настолько очевидна, что они определяют массы частиц в соответствующих единицах энергии.

Открытие, что масса — разновидность энергии, заставило нас кардинально пересмотреть наши взгляды на понятие частицы. Масса уже не рассматривается как величина, определяющая наличие в том или ином объекте определенного количества некой материальной субстанции, а частицы рассматриваются не как базовый «материал» природы, а как сгустки энергии. Но, поскольку энергия ассоциируется с работой и динамическими процессами, считается, что субатомные частицы имеют изначально динамическую природу. Чтобы осознать это, мы должны помнить, что эти частицы нужно рассматривать только с релятивистской точки зрения, в рамках которой пространство и время — неразрывный четырехмерный континуум. Частицы нужно представлять не как неподвижные трехмерные объекты, подобные бильярдным шарам или крупинкам песка, а как четырехмерные структуры в пространстве-времени. Их формы необходимо понимать динамически — как формы пространства и времени. Субатомные частицы — динамические модели, каждая из которых имеет пространственный и временной аспекты. Пространственный придает им характеристики объектов, обладающих массой, а временной — характеристики процессов, в которые включено количество энергии, равное их массе.

Эти динамические модели, или «пучки энергии», формируют устойчивые ядерные, атомарные и молекулярные структуры, которые и образуют материю, придавая ей вид твердого тела. Это и заставляет нас думать, что окружающие предметы состоят из некой материальной субстанции. На макроскопическом уровне это понятие может существовать в качестве упрощения, но на атомарном уровне оно лишено смысла. Атомы состоят из частиц, в которых нет признаков материального (наблюдения только подтверждают это). Всё говорит о том, что мы имеем дело с динамическими структурами, постоянно преобразующимися одна в другую, т. е. с непрекращающимся танцем энергии.

Квантовая теория показала, что частицы — не отдельные крупицы вещества, а вероятностные модели и переплетения в неразрывной космической паутине. Теория относительности оживила эту картину, раскрыв динамический характер этих моделей. Она показала, что активность материи — основа ее существования. Частицы субатомного мира активны не только потому, что они очень быстро движутся; они являются процессами сами по себе! Мы не можем отделить существование материи от ее активности. Это различные аспекты одной и той же пространственно-временной действительности.

В предыдущей главе мы рассуждали о том, что знания о «взаимопроникновении» времени и пространства привели восточных мистиков к созданию восприятия мира, которому изначально свойственны изменения. Древние трактаты доказывают, что они не только воспринимают мир в понятиях движения, течения и изменения, но и интуитивно ощущают «пространственно-временную» сущность материальных объектов, что свойственно и релятивистской физике. Физикам приходится учитывать единство времени и пространства при изучении субатомного мира, а следовательно, рассматривать частицы не как статичные, а как динамические объекты в категориях энергии, активности и процессов. У восточных мистиков необычные состояния сознания помогают выявить связь между пространством и временем на макроскопическом уровне, и их восприятие объектов действительности оказывается близким к представлениям физиков о субатомных частицах. Особенно это бросается в глаза в буддизме. Одно из важнейших наставлений Будды звучит так: «Все составные вещи не вечны». В оригинальном тексте этого изречения на языке пали[191] для выражения понятия «вещь» используется слово санкхара (на санскрите — самскара), которое в первую очередь означает «событие» или «случившееся», а также «деяние» или «свершение» и только во вторую — «существующая вещь». Это ясно показывает, что буддисты воспринимают материальный мир динамически и видят процессы вечного изменения. По словам Дайсэцу Судзуки, буддисты воспринимают объект как событие, а не нечто материальное. Их представление о вещи как о самскаре (или санкхаре), т. е. «деяниях» или «событиях», четко указывает, что они рассматривают наш опыт в категориях времени и движения[192].

Как и современные физики, буддисты видят во всех объектах процессы, происходящие в едином потоке, и отрицают существование материальной субстанции. Это общий подход для всех школ и направлений буддизма. Китайские философы тоже близки к подобному пониманию мироустройства. Они воспринимают все его объекты как переходящие эпизоды бесконечного течения Дао. Их гораздо больше интересуют законы, регулирующие взаимоотношения объектов, чем разложение их на базовые составляющие. «В то время как европейская философия пыталась объяснить мир субстанцией, — пишет Джозеф Нидэм, — китайские философы склонны были объяснять действительность существующими в ней взаимосвязями»[193].

Динамические воззрения восточных мистиков и современных физиков исключают возможность существования устойчивых форм, а также материальной субстанции. Основными составляющими Вселенной являются динамические модели — чередующиеся этапы «нескончаемого потока трансформаций и изменений», как говорил Чжуан-цзы.

Согласно нашему современному представлению о материи, ее базовыми моделями оказываются субатомные частицы. Основная цель современной теоретической физики — исследование свойств и взаимодействий последних. Уже известно несколько сотен частиц, большинство из которых создаются искусственно в процессе столкновений и существуют крайне недолго — меньше миллионной доли секунды. Очевидно, что это переходные модели динамических процессов. Перечислим основные вопросы по поводу этих моделей или частиц: «Чем они отличаются друг от друга? Делимы ли на более мелкие составные части, а если да, то какие именно, точнее — какие еще модели они включают? Как они взаимодействуют друг с другом, какие силы действуют между ними? Если частицы сами являются процессами, то каковы эти процессы?»

Мы уже убедились, что в физике частиц все эти вопросы взаимосвязаны. Поскольку субатомные частицы имеют релятивистскую природу, мы не можем понять их свойства вне их взаимодействий. В силу фундаментальной взаимосвязанности явлений субатомного мира мы не можем понять характер одной частицы, не уяснив характера остальных. Дальнейшие главы посвящены описанию достижений современной физики в исследовании свойств и взаимодействий частиц. Всеобъемлющей квантово-релятивистской теории для описания субатомного мира еще не существует, но в конце XX в. возникло несколько частных теорий и моделей, которые успешно описывают некоторые аспекты мироздания. В процессе знакомства с самыми значительными из них мы увидим, что все они включают философские концепции, которые удивительным образом согласуются с основными представлениями восточных мистиков.

Глава 14. Пустота и наполненность

Классическая механистическая модель мира исходила из представлений о твердых и неделимых частицах, движущихся в пустоте. Современная физика решительно пересмотрела эту картину, изменив наши взгляды не только на частицы, но и на пустоту. Главная роль здесь принадлежит так называемым теориям поля. Всё началось с идеи Эйнштейна об объединении гравитационных полей с пространственной геометрией. Прорыв произошел, когда ученые объединили квантовую теорию и теорию относительности для описания силовых полей субатомных частиц. В квантовых теориях поля традиционное противопоставление частиц и окружающего их пространства теряет свою остроту, и пустота превращается в динамическую величину, имеющую колоссальное значение.

Понятие «поле» было введено Майклом Фарадеем и Джеймсом Максвеллом в XIX в. для описания сил между электрическими зарядами и токами. Электрическое поле — особое состояние пространства, окружающего заряженное тело, которое создает силы, способные воздействовать на любой другой заряд внутри пространства. Следовательно, электрические поля создаются заряженными телами, а их действие могут ощутить на себе только заряженные тела. Магнитные поля порождаются движущимися зарядами, т. е. электрическими токами, и возникающие между ними магнитные силы могут воздействовать на любые другие движущиеся заряды. В классической электродинамике, разработанной Фарадеем и Максвеллом, считается, что поля имеют самостоятельную физическую природу и могут исследоваться вне связи с материальными объектами. Электрические и магнитные поля способны перемещаться в пространстве в виде радиоволн, световых волн и других видов электромагнитного излучения.

Теория относительности сделала модель электродинамики гораздо более элегантной, объединив понятия зарядов и токов и электрических и магнитных полей. Поскольку движение относительно, любой заряд может восприниматься как ток — при условии выбора системы координат, в которой он движется относительно наблюдателя. А значит, его электрическое поле может проявиться и как магнитное. Поэтому в релятивистской формулировке электродинамики понятия электрического и магнитного полей объединяются в общее понятие электромагнитного поля.

Понятие поля связано не только с электромагнитными силами, но и с другой силой макроскопического мира — гравитацией. Гравитационные поля создаются и ощущаются всеми массивными телами и воздействуют на них. Возникающие при этом силы всегда являются силами притяжения, в отличие от ситуации с электромагнитными полями, которые воздействуют только на заряженные тела, порождая как силы притяжения, так и силы отталкивания. Гравитационное поле описывается общей теорией относительности, которая утверждает, что воздействие массивного тела на окружающее пространство распространяется значительно дальше, чем воздействие заряженного тела в электродинамике. При этом пространство вокруг массивного тела меняется так, что находящиеся поблизости от него объекты начинают испытывать действие силы гравитации. Изменения при этом влияют на геометрию, а значит, и саму структуру пространства.

Материя и пустое пространство — наполненность и пустота — фундаментально различные понятия, на которых построен атомизм Демокрита и Ньютона. В общей теории относительности эти понятия уже неразделимы. Массивное тело не может существовать, не создавая гравитационного поля, которое будет искривлять окружающее это тело пространство. Но не стоит считать, что поле «наполняет» пространство и искривляет его. Одно не может быть отделено от другого: поле само по себе является искривленным пространством! В общей теории относительности гравитационное поле и геометрия пространства едины. В уравнениях поля Эйнштейна им соответствует одна и та же математическая величина. В теории Эйнштейна материя не мыслится вне своего гравитационного поля, а гравитационное поле неотделимо от искривленного пространства.

Массивные тела не только определяют структуру окружающего пространства, но и испытывают воздействие окружающей среды. Согласно представлениям австрийского физика и философа Эрнста Маха, инерция материального тела, т. е. его сопротивление направленным извне силам, вызывающим ускорение, является не изначальным свойством материи, а мерой ее взаимодействия с остальной Вселенной. По мнению Маха, материя обладает инерцией только потому, что во Вселенной есть другая материя. Когда тело вращается, его инерция порождает центробежную силу (которая используется, в частности, в стиральной машине для отжима мокрого белья), но эта сила появляется только потому, что тело вращается «относительно неподвижных звезд». Если бы неподвижные звезды вдруг исчезли, вместе с ними пропали бы и инерция, и центробежная сила вращающегося тела.

Такое понимание инерции, известное под названием принципа Маха, сильно повлияло на Альберта Эйнштейна и стало для него стимулом для создания общей теории относительности. Поскольку теория Эйнштейна очень сложна в математическом отношении, физики до сих пор не пришли к четкому выводу по поводу того, может ли принцип Маха считаться частным ее случаем. Но большинство уверено, что принцип Маха в том или ином виде должен быть включен в общую теорию относительности.

Итак, современная физика снова (на сей раз на макроскопическом уровне) демонстрирует нам, что материальные тела — не самостоятельные объекты, а неразрывно связаны с окружающей средой; и их свойства могут восприниматься только в контексте взаимодействия с окружающим миром. Согласно принципу Маха, взаимодействие тел распространяется на всю Вселенную, включая самые удаленные звезды и галактики. Изначальное единство мироздания проявляется не только в мире бесконечно малого, но и в мире бесконечно большого. Этот факт признан в современной физике и космологии. Вот как об этом говорит астроном Фред Хойл.

Сегодняшние события в космологии убедительно свидетельствуют о том, что обычные условия не могут сохраняться в отдаленных частях Вселенной, и, если бы эти части как-то были изъяты из нашего мира, все наши представления о пространстве и геометрии утратили бы смысл. Наш повседневный опыт до самых мельчайших деталей настолько тесно связан с крупномасштабной характеристикой Вселенной, что сложно даже представить себе, что одно может быть отделено от другого[194].

Единство и взаимосвязи материального тела и его окружения, проявляющиеся на макроскопическом уровне в общей теории относительности, дают еще более впечатляющую картину на субатомном уровне. Здесь положения классической теории поля соединяются с положениями квантовой теории для описания взаимодействий субатомных частиц. Гравитационные взаимодействия еще не могут быть описаны аналогичным способом из-за того, что теория гравитации Эйнштейна очень сложна в математическом отношении, но ученым удалось объединить квантовую теорию с другой теорией поля, а именно электродинамикой. Произошло это в рамках теории квантовой электродинамики, которая описывает все электромагнитные взаимодействия между субатомными частицами. Она включает положения квантовой теории и теории относительности. Она была первой квантово-релятивистской теорией современной физики и до сих пор остается самой удачной. Необычно в квантовой электродинамике прежде всего соединение двух концепций: понятия электромагнитного поля и представлений о фотонах как об электромагнитных волнах, проявляющихся в виде частиц. Поскольку фотоны — электромагнитные волны, т. е. колеблющиеся поля, фотоны должны одновременно быть и проявлением электромагнитных полей. Так возникает понятие квантового поля, т. е. поля, способного содержать кванты, или частицы. Безусловно, это понятие оказалось новым. Оно используется при описании всех субатомных частиц и их взаимодействий; каждому типу частиц соответствует определенный тип поля. Квантовые теории поля преодолевают унаследованное от классической физики противопоставление между твердыми материальными частицами и окружающим их пространством. Квантовое поле рассматривается как новый физический объект, протяженная среда, которая присутствует везде в пространстве. Частицы представляют собой точки «сгущения» этой среды, возникающие и исчезающие энергетические узлы. Они утрачивают независимость и растворяются в окружающем их поле. Вот что по этому поводу заявляет Эйнштейн.

Итак, мы можем считать, что материя состоит из таких участков пространства, в которых поле достигает исключительной интенсивности… В новой физике нет места для понятия поля и материи, поскольку единственной существующей реальностью остается только поле[195].

Представление о физических объектах и явлениях как о преходящих проявлениях лежащей в их основе фундаментальной сущности — не только основной элемент квантовой теории поля, но и основной элемент восточного мировоззрения. Как и Эйнштейн, восточные мистики рассматривали эту фундаментальную сущность как единственную реальность: все ее проявления оценивались как преходящие и иллюзорные. Мы не можем приравнивать реальность восточного мистицизма к квантовому полю в современной физике, потому что она трактуется как сущность всех явлений мира: по сути она выше интеллектуальных понятий и идей. Квантовое поле же — вполне определенное понятие, которое применимо только для некоторых физических явлений. Но интуитивное восприятие, которое помогает физику правильно интерпретировать факты субатомного мира в понятиях квантового поля, имеет много общего с интуитивным восприятием восточного мистика, который истолковывает свое мировосприятие в понятиях высшей реальности, составляющей основу всего сущего. После возникновения понятия поля физики стали стремиться к тому, чтобы объединить все поля в единое фундаментальное поле, в рамках которого можно было бы объяснить все физические явления. Эйнштейн особенно интересовался этой темой. Он потратил последние годы жизни на поиск подобной концепции. Такие понятия, как Брахман в индуизме, Дхармакайя в буддизме и Дао в даосизме, могут рассматриваться как эквивалент конечного объединенного поля, из которого берут начало не только физические явления, но и все явления вообще.

По восточным представлениям, реальность, лежащая в основе всех явлений, лишена какой бы то ни было формы и не может быть описана или определена. Поэтому ее часто называют бесформенной и пустой. Но слово «пустота» не означает «отсутствие всего». Это сущность всех форм и источник всей жизни. Обратимся к «Упанишадам».

Жизненное дыхание — Брахман, радость — Брахман, пространство — Брахман… Поистине радость — то же, что и пространство, пространство — то же, что и радость[196].

То же имеют в виду и буддисты, называя высшую реальность шуньятой, т. е. «пустотой», и утверждая, что эта наделенная жизнью Пустота порождает все формы явлений. Даосы приписывают Дао аналогичное свойство: быть вечным источником творения — и тоже называют его пустым. «Дао Небес — пустое и бесформенное», — говорит Гуань-цзы[197]. Лао-цзы же использует для описания пустоты Дао несколько метафор. Он часто уподобляет Дао долине между гор или сосуду, который всегда остается пустым, сохраняя способность содержать в себе всё бесконечное множество вещей.

Используя термины «пустота» и «незаполненность», восточные мудрецы обращают внимание последователей на то, что под брахманом, шуньятой и дао понимается не обычная пустота, а Пустота с большой буквы — неисчерпаемый источник созидания. Поэтому мы можем уподобить Пустоту в понимании восточных мистиков квантовому полю субатомной физики. Как и оно, Пустота рождает бесчисленное множество форм и поддерживает их до тех пор, пока снова не поглотит их.

Воистину, всё это — Брахман. Пусть почитают его в спокойствии как джалан. Воистину человек состоит из намерения. Какое намерение имеет человек в этом мире, таким он становится, уйдя из жизни. Пусть же он исполняет свое намерение[198].

Как и субатомные частицы, проявления мистической Пустоты имеют не статическую и не подвижную, а динамическую и преходящую сущность. Они постоянно появляются и исчезают в бесконечном танце движения и энергии. Как субатомный мир для физика, для восточного мистика мир явлений представляет собой сансару — мир беспрестанных рождений и смертей. Будучи переходными проявлениями Пустоты, объекты этого мира не имеют фундаментальной сущности. Это особенно подчеркивается в буддийской философии, которая отрицает существование материальной субстанции и находит, что представления о длительно существующем «Я», воспринимающем последовательный опыт, иллюзорны. Буддисты нередко сравнивают иллюзию существования материальной субстанции и индивидуального «Я» с волнами на поверхности воды. Движение частиц воды вверх и вниз заставляет нас верить, что по ее поверхности в горизонтальном направлении перемещается некий «кусочек» материи. К тому же сравнению в рамках теории поля прибегали и физики, стремившиеся показать иллюзорность того, что материальная субстанция может быть порождена движущимися частицами, в рамках теории поля. Вот как говорит об этом немецкий физик-теоретик Герман Вейль.

Согласно [представлениям о строении вещества в теории поля], материальная частица — такая, как, скажем, электрон, представляет не что иное, как небольшой участок электрического поля, в пределах которого мощность этого поля достигает огромных величин, что свидетельствует о сосредоточении большого количества энергии в очень малом объеме пространства. Такой узел энергии, который никак не идентифицируется на фоне остального поля, перемещается в пустом пространстве, подобно волнам на поверхности озера. Поэтому мы можем утверждать, что не существует такой одной и той же субстанции, из которой может всё время состоять электрон[199].

В китайской философии идея поля присутствует уже в самом понятии Дао, которое, будучи пустым и бесформенным, порождает все формы. Более того, идея поля получила зримое выражение в понятии ци. Оно занимало важное место в концепциях практически всех школ китайской натурфилософии, но особенно важную роль играет в философии неоконфуцианства, стремящейся объединить конфуцианство, даосизм и буддизм. Само слово ци буквально обозначает «газ» или «эфир». В Древнем Китае оно использовалось для обозначения жизненной энергии, или энергии, одушевляющей космос. Представления о «путях ци» в теле человека стали основой традиционной китайской медицины. Цель акупунктуры — стимуляция движения ци по этим путям. Поток ци — основа «текучих движений», использующихся в технике тайцзицюань — даосского Танца Воина.

Неоконфуцианцы развили понятие ци, которое по смыслу стало удивительно напоминать понятие квантового поля в современной физике. Подобно квантовому полю, ци воспринимается как нематериальная, недоступная человеческому восприятию форма существования материи, присутствующая одновременно во всем пространстве и способная сжиматься в твердые материальные тела. Вот как описывает это китайский философ Чжан Цзай.

Когда ци сгущается, она становится очевидной, и возникают телесные формы [индивидуальных вещей]. Когда ци рассеивается, она более не очевидна, и телесных форм не существует. Когда ци сгущается, разве можно назвать это иначе, чем временным явлением? Когда ци рассеивается, можно ли поспешно сказать, что она не существует?[200]

Таким образом, ци сгущается и рассеивается с ритмической периодичностью, порождая формы, которые в итоге снова растворяются в Пустоте. И снова слова Чжан Цзая:

Великая пустота [великая гармония, Дао] не может не быть ци; ци не может не сгущаться и не порождать мириады вещей; мириады вещей не могут не рассеиваться и не исчезать в великой пустоте[201].

Как и в квантовой теории поля, это поле, или ци, не только составляет основу материальных объектов, но и осуществляет их взаимосвязи, принимая форму волн. При сравнении описания понятия поля в современной физике, данного австрийским физиком-теоретиком Вальтером Тиррингом, и китайского подхода к объяснению физического мира, описанного Джозефом Нидэмом, очевидно сходство этих двух концепций.

Современная теоретическая физика… поместила наши размышления о природе материи в новый контекст. Она заставила нас перевести взгляд с видимого, т. е. частиц, на лежащее в их основе невидимое — поле. Присутствие материи есть всего лишь возбужденное состояние поля в данной точке; это нечто случайное, своеобразный «изъян» в пространстве. Соответственно, простых законов, которые описывали бы силы, действующие между элементарными частицами, не существует… Упорядоченность и гармонию нужно искать на уровне поля, лежащего в основе всего сущего[202].

В древние времена и Средневековье китайцы воспринимали физический мир как постоянное целое. По их представлениям, ци, сгущаясь в осязаемую материю, не имеет какой бы то ни было самостоятельной сущности; напротив, все отдельные предметы взаимодействуют друг с другом… при помощи волн, или колебаний, характер которых, как считали на Востоке, зависит от ритмического чередования двух основополагающих сил на всех уровнях мироздания — сил инь и ян. Следовательно, отдельные предметы обладают своим природным ритмом. И все они вписываются… в общую картину гармоничного мира[203].

Придя к понятию квантового поля, современные физики нашли неожиданный ответ на давний вопрос о том, из чего же состоит материя: неделимых атомов или фундаментального континуума, лежащего в основе всего. Поле — континуум, пронизывающий всё пространство, который в форме частиц приобретает прерывистую «гранулярную» структуру. Так два самостоятельных понятия объединяются в одно, приобретая характер двух разных аспектов одной реальности. Как всегда в теории относительности, объединение двух противоположных понятий изменчиво: две стороны материи непрестанно преобразуются друг в друга. Восточные мистики подчеркивают существование такого же динамического единства между Пустотой и порождаемыми ею формами. Обратимся к труду Ламы Говинды.

Только из опыта формы можно постичь переживание бесформенного, а без переживания «пустоты», или шуньяты, ценность формы теряет свое динамичное, живое значение[204].

Слияние этих противоположностей в рамках единого целого одна из буддийских сутр описывает так.

Пустота неотлична от формы, форма неотлична от пустоты; что форма — то пустота, что пустота — то форма[205].

Теории поля не только дали нам новый взгляд на субатомные частицы, но и решительно изменили наши представления о силах, действующих между ними. Первоначально поле связывалось с понятием силы, и даже в квантовой теории поля оно связано с силами взаимодействующих частиц. Например, электромагнитное поле может представляться в виде «свободного поля» в форме перемещающихся волн, или фотонов, или играть роль силового поля между заряженными частицами. В последнем случае наличие поля проявляется в обмене фотонами между заряженными частицами. Взаимное отталкивание двух электронов происходит благодаря фотонному обмену между ними.

На первый взгляд такая трактовка понятия силы очень сложна. Но стоит взглянуть на пространственно-временную диаграмму, как всё сразу же становится понятнее. На рисунке 34 изображены два электрона, сближающиеся друг с другом, один из которых испускает фотон (γ) в точке А, а второй поглощает его в точке В.

Рис. 34. Взаимное отталкивание двух электронов в рамках фотонного обмена

Испустив фотон, первый электрон меняет скорость и направление движения, что проявляется в изменении наклона его мировой линии. Второй делает то же, поглощая фотон. В результате электроны разлетаются в разные стороны. Их взаимное отталкивание выражается в обмене фотоном. Полное взаимодействие электронов включает обмен несколькими фотонами, вследствие чего отталкивание происходит не резко, как на графике, а плавно. При этом электроны движутся по изогнутым дугам.

Классическая физика объяснила бы эту ситуацию действием отталкивающих сил, воздействующих на оба электрона. Сейчас такой подход представляется крайне неточным. При сближении электронов ни один из них не ощущает воздействия какой бы то ни было силы. Между ними происходит только обмен фотонами. Следовательно, понятие силы больше не действует в субатомном мире. Это понятие из классической физики, которое мы ассоциируем (пусть и подсознательно) с ньютоновскими представлениями о силах, действующих на расстоянии. В субатомном мире таких сил нет. Их заменяет взаимодействие между частицами посредством полей, т. е. других частиц. Поэтому физики предпочитают говорить о взаимодействиях, а не о силах.

Согласно квантовой теории поля, все взаимодействия сводятся к обмену частицами. В случае электромагнитного взаимодействия в обмене участвуют фотоны. При более сильных взаимодействиях между нуклонами внутри ядра в обмен вовлекаются новые частицы — «мезоны», которые принимают участие в обменах между протонами и нейтронами. Они бывают разных типов. Чем ближе друг к другу нуклоны, тем тяжелее мезоны, которыми они обмениваются, и тем их больше. Взаимодействия нуклонов и свойства мезонов явно связаны друг с другом, а сами мезоны взаимодействуют, обмениваясь другими частицами. Поэтому фундаментальное понимание природы внутриядерных сил невозможно без знания всего спектра субатомных частиц.

В квантовой теории поля все взаимодействия частиц можно представить в виде пространственно-временных диаграмм, сопроводив каждую математической формулой, которая позволяет вычислить вероятность возникновения соответствующего процесса. Точное соответствие между диаграммами и их аналитическим выражением было установлено в 1949 г. американским физиком-теоретиком Ричардом Фейнманом, потому они и называются диаграммами Фейнмана. Важнейшая составляющая квантовой теории поля — объяснение процессов возникновения и уничтожения частиц. Например, фотон на рис. 35 создается в процессе эмиссии в точке А, а уничтожается при его поглощении в точке В.

Рис. 35. Путь фотона

Этот процесс можно понять только в рамках релятивистской теории, где частицы рассматриваются не как неделимые тела, а скорее, как динамические схемы с определенным количеством энергии, которая может перераспределяться при образовании новых схем.

Возникновение частицы, обладающей массой, возможно только при наличии такого количества энергии, которое эквивалентно массе этой частицы, например в процессе столкновения. При сильных взаимодействиях, которые могут происходить внутри атомного ядра, скажем, между двумя нуклонами, такая энергия не всегда присутствует. Это делает обмены массивными мезонами почти невозможным. И всё же они иногда происходят. Так, два протона могут обменяться «пи-мезоном», или «пионом», масса которого составляет около одной седьмой массы протона.

Рис. 36. Обмен пионом (π) между двумя протонами (p)