2. Вселенная — это материя​

/ / / 2. Вселенная — это материя​

Итак, вопрос заключается в следующем: существует ли в природе, во вселенной, что-либо, кроме материи, или хотя бы есть ли в природе такое место, свободное от материи, где мог бы расположиться господь бог вместе со своим царством небесным?

Чтобы ответить на этот вопрос, постараемся прежде всего разобраться в том, что такое материя.

Вещество и масса

Наиболее привычным для нас видом материи является вещество, которое состоит из атомов. В свою очередь, каждый атом представляет собой сложную систему; центром ее служит положительно заряженное ядро, вокруг которого движутся электроны, обладающие отрицательными зарядами. Число отрицательных электронов равно величине положительного заряда ядра, и поэтому в целом каждый атом электрически нейтрален. С изменением заряда меняются химические свойства атомов. Атомы могут объединяться в молекулы, образуя то великое разнообразие химических веществ, из которых состоят все тела как неживой, так и живой природы.

Основное физическое свойство вещества — наличие массы, которая служит как бы мерой количества материи, содержащейся в данном теле. Масса проявляет себя всякий раз, как только на тело действует какая-либо сила, сообщающая ему ускорение, то есть изменяющая его скорость по величине или направлению. При этом под действием одной и той же силы тело большей массы получит меньшее ускорение, а тело меньшей массы — большее. Тело же, на которое не действуют никакие силы, либо покоится, либо движется равномерно и прямолинейно.

Представьте себе тело, в течение некоторого времени находящееся по отношению к Земле в состоянии покоя, а затем пришедшее в движение. Это означает, что на него подействовала какая-то сила. Но любая сила есть результат действия одного материального объекта на другой. В природе не существует сил, не связанных с какими-либо материальными объектами. Точнее говоря, у всякой силы есть свой материальный носитель. Этот факт является одним из фундаментальных положений физики. Электровоз сообщает ускорение железнодорожному составу; расширяющиеся в результате воспламенения пары бензина приводят в движение поршни автомобильного двигателя; лошадь тянет телегу, а раскаленные газы, вылетающие из сопла реактивного двигателя, отталкивают в противоположном направлении ракету.

Если бы нам удалось найти нематериальную силу, единство мира оказалось бы опровергнутым.

— Но,— можете возразить вы,— таких сил можно указать сколько угодно!..

Груз подвешен на нитке. Перережем ее, и он стремительно полетит вниз, на землю… Луна движется в мировом пространстве не равномерно и прямолинейно, как если бы на нее не действовали никакие силы, а по искривленной замкнутой орбите…

Мы нажали кнопку электрического звонка, и его молоточек, вздрогнув, подтянулся к сердечнику электромагнита… Мы потерли мехом стеклянную палочку и приблизили ее к клочкам папиросной бумаги — бумажки пришли в движение и, подскочив, прилипли к палочке…

Во всех четырех случаях мы наблюдали, как то или иное тело приобретает ускорение. Следовательно, на каждое из них действовала какая-то сила. Но ни в одном из рассмотренных случаев ускоряемое тело не вступало в непосредственное соприкосновение с каким-либо другим телом. Не свидетельствует ли это о нематериальной природе действовавших сил? Вовсе нет.

Поле — форма материи

Просто мы столкнулись с особой, невещественной формой существования материи — так называемым полем. В первых двух случаях это было поле тяготения, а в последних двух — магнитное и электростатическое поля.

Что же собой представляет поле?

Как только заработал мощный радиопередатчик, от его антенны во всех направлениях начали распространяться в пространстве со скоростью 300 тысяч километров в секунду электромагнитные волны. Через некоторое время они достигли антенны нашего приемника и возбудили в ней движение электронов, электрические токи, которые после соответствующего преобразования и усиления поступили на динамик и создали звук. И где бы мы ни помещали наш приемник, произойдет то же самое. Значит, энергия, излученная передатчиком, заполнила все пространство. (Ведь для того, чтобы привести в движение электроны в антенне, им надо было сообщить энергию.) Но энергия — это способность материи совершать работу, другими словами: энергия — свойство материи. Но свойство не может существовать обособленно от материи, само по себе. Не может существовать просто большого, маленького, твердого, жидкого, железного, деревянного, зеленого или синего, вне связи с какими-либо материальными объектами. В рассмотренных нами случаях материальным носителем энергии является поле. Как мы уже знаем, поле может совершать работу, например сообщая ускорение электрическим зарядам. О материальности электромагнитного поля говорит и то обстоятельство, что оно способно оказывать на помещенные в него объекты не только электрическое, магнитное, но и прямое механическое воздействие. Так, например, электромагнитные волны производят определенное давление на преграды, а излучатели таких волн испытывают реактивный эффект, получая ускорение в противоположном направлении, как если бы они выбрасывали обычные частицы вещества.

Свет материален

Лучше всего эти эффекты проявляются в области световых электромагнитных волн. С помощью необычайно чувствительного прибора выдающийся русский физик П. Н. Лебедев сумел обнаружить световое давление и измерить его величину. Давление это ничтожно, но оно существует и даже играет немаловажную роль в различных космических процессах. Именно действием светового давления в значительной степени объясняется, например, образование кометных хвостов, которые возникают лишь тогда, когда ядро кометы, представляющее собой скопление твердых «ледяных» глыб, приближается к Солнцу. Под действием солнечных лучей газы, входящие в состав ядра, испаряются, а световое давление, воздействуя на их частицы, сообщает им ускорение в направлении от Солнца. Вот почему хвосты комет вытянуты в сторону, противоположную Солнцу.

Если в знаменитых опытах Лебедева давление света проявляло себя как необычайно тонкий и трудно обнаруживаемый эффект, а в остальных случаях речь, как правило, идет лишь о его косвенных следствиях, то в последние годы благодаря необыкновенным успехам современной физики и радиотехники были созданы устройства, в которых это свойство световых лучей выступает как вполне четкое физическое явление. Речь идет о так называемых квантовых генераторах электромагнитного излучения.

В основу устройства одного из таких оптических излучателей, или, как его иногда называют, лазера, положены замечательные свойства кристаллов синтетического рубина, представляющего собой окись алюминия (корунд) с примесью хрома, который и придает ему характерный красный цвет.

Небольшой кристалл рубина цилиндрической формы облучают ксеноновой лампой, свет которой возбуждает электроны в атомах хрома, и атомы начинают испускать порции (кванты) красного света. Чтобы усилить этот процесс, плоские грани рубинового цилиндрика покрывают серебряными пленками, одна из которых имеет полупрозрачное отверстие. Благодаря этому кванты не сразу находят дорогу наружу, а первое время «мечутся» между пленками-зеркалами с огромной скоростью — 300 тысяч километров в секунду. Взаимодействуя с другими атомами хрома, они вызывают излучение все новых и новых красных квантов. Процесс приобретает лавинообразный характер. Число квантов быстро растет. Наконец их становится так много, что они находят себе путь через окошко и узким пучком вырываются наружу. Происходит мгновенная ослепительная вспышка. Красный луч строго определенной частоты, вырвавшийся через окошко, обладает яркостью, в миллионы раз превышающей яркость такой же по площади поверхности Солнца. Чтобы получить такую же энергию в столь узком интервале частот путем простого нагревания источника излучения, пришлось бы довести его температуру до 10 миллионов градусов.

Благодаря своей мощности луч лазера обладает еще одним замечательным свойством — огромным световым давлением. Лазеры могут «пробить» на небольшом расстоянии своим лучом тонкую пластинку, изготовленную из достаточно прочного материала. Расчеты же показывают, что если удастся достигнуть еще более высокой степени фокусировки луча оптического генератора, то можно будет получить чудовищное световое давление — десятки миллионов атмосфер.

Развитие науки показало, что свет обладает не только давлением. Его частицы — фотоны, подобно частицам вещества, подвержены воздействию сил тяготения: они могут притягиваться. Этот вывод современной теоретической физики подтвержден прямыми наблюдениями.

Благодаря обращению Земли вокруг Солнца наше дневное светило для земного наблюдателя все время перемещается на фоне более далеких звезд. Вследствие этого-то одна, то другая звезда оказывается на небе около края солнечного диска и ее световые лучи по дороге к Земле проходят рядом с Солнцем. Если тяготение действительно воздействует на свет, то вблизи Солнца луч звезды должен испытать искривление. И тогда для земного наблюдателя звезда несколько сместится относительно своего обычного положения на небе.

Принципиальная идея подобного эксперимента весьма проста, однако его практическое осуществление наталкивается на весьма серьезные трудности. Из-за наличия атмосферы наблюдать звезды рядом с Солнцем в дневное время в обычных условиях невозможно. Это удается осуществить только в короткие минуты полной фазы солнечных затмений, когда Луна закрывает собой ослепительный солнечный диск и на потемневшем дневном небе «вспыхивают» звезды. Тогда с помощью специальных астрономических инструментов прилегающая к Солнцу область неба фотографируется, а затем полученные таким путем фотографии сравниваются со снимками того же района звездного неба, сделанными при обычных условиях.

Первые успешные наблюдения такого рода были выполнены еще в 1919 году. В дальнейшем они неоднократно повторялись. И хотя точную количественную оценку явления до сих пор получить не удается из-за целого ряда чисто технических трудностей, сам факт искривления световых лучей под действием сил тяготения подтвержден полностью.

Вещество превращается в излучение

Об отсутствии непроходимой границы между веществом и полем, веществом и излучением говорит также тот факт, что при определенных условиях излучение может превращаться в вещество и, наоборот, частицы вещества, взаимодействуя друг с другом, могут превращаться в порции излучения.

Еще в конце 20-х годов текущего столетия знаменитый английский физик Поль Дирак разработал теорию движения электронов в атомах, быстро завоевавшую всеобщее признание. Но, хорошо объясняя многие факты, эта теория в то же время утверждала, что в природе наряду с электронами должны существовать «антиэлектроны», то есть элементарные частицы с массой электрона, обладающие, однако, положительным зарядом.

На первых порах этот вывод Дирака представлялся физикам математическим парадоксом, не имеющим реального смысла и свидетельствующим о несовершенстве теории. Но прошло всего четыре года, и при исследовании космических лучей была обнаружена неизвестная ранее частица, свойства которой в точности совпадали со свойствами гипотетического «антиэлектрона» Дирака. Открытие новой элементарной частицы, получившей название позитрона, явилось большой сенсацией.

Когда-то алхимики мечтали овладеть секретом философского камня, с помощью которого можно было бы превращать ртуть и другие вещества в золото. Ученым XX столетия удалось осуществить эту мечту. Они научились совершать в ядерных реакторах удивительные превращения одних химических элементов в другие. Более того, выяснилось, что при известных условиях вещество вообще может исчезать, уничтожаться как вещество, превращаясь в другую форму материи — излучение. Впервые подобное превращение и было обнаружено при изучении позитрона. Оказалось, что эта частица недолговечна и существует лишь до тех пор, пока не встретится с каким-нибудь электроном. Но, как только подобная встреча происходит, обе частицы исчезают, превращаясь в один из видов электромагнитных волн, так называемые гамма-лучи.

Вскоре удалось обнаружить и обратное превращение: порции излучения, гамма-кванты, пролетая вблизи атомного ядра, при определенных условиях превращались в пару частиц — электрон и позитрон.

После открытия позитрона само собой напрашивалось предположение, что не только для электрона, но и для других элементарных частиц должны существовать соответствующие античастицы. Это предположение подтверждала и теория Дирака, столь удачно предвидевшая открытие антиэлектрона и утверждавшая, что элементарные частицы могут отличаться друг от друга не только массой, но также своими электрическими и магнитными свойствами.

В тиши многочисленных физических лабораторий и научно- исследовательских институтов начались упорные поиски новых античастиц, никем еще не наблюдавшихся, но предсказанных теорией.

Прошло немало лет, прежде чем эти поиски увенчались успехом. Сейчас наряду с обычными протонами, нейтронами и электронами физикам известны соответствующие античастицы — антипротоны, антинейтроны, уже знакомые нам позитроны, а общее число известных частиц и античастиц достигло тридцати одной.

Частицы и античастицы — это «заклятые враги», которые не способны «ужиться» друг с другом. Стоит только античастицам прийти в соприкосновение с обычными частицами, как те и другие сейчас же превращаются в гамма-излучение.

Гравитация и гравитоны

Весьма распространенным в современной науке является и предположение о существовании своеобразных частиц тяготения — гравитонов.

Хорошо известно, что два одноименных электрических заряда, расположенных в различных точках пространства, отталкиваются. Согласно современным научным представлениям, это происходит в результате того, что оба заряда с колоссальной скоростью обмениваются частицами излучения — фотонами. Поскольку закон взаимодействия электрических зарядов, так называемый закон Кулона, аналогичен закону всемирного тяготения, можно предположить, что притяжение масс обусловливается обменом гравитонами.

Что же могут представлять собой гравитоны?

Пожалуй, самой характерной особенностью сил тяготения является их необыкновенная проникающая способность. Сквозь тело планеты они проходят так же свободно, как сквозь пустое пространство.

Во время полного солнечного затмения 19 февраля 1961 года в ряде точек поверхности Земли были проведены специальные гравиметрические наблюдения, цель которых состояла в том, чтобы выяснить, не ослабляется ли сила солнечного тяготения вследствие того, что в моменты полной фазы затмения Луна перекрывает наше дневное светило. Однако никаких эффектов подобного рода обнаружено не было.

Итак, для гравитонов не существует препятствий. Но нет ли в природе каких-либо других частиц, обладающих подобным же свойством?

Удивительное нейтрино

Оказывается, такие частицы существуют: это так называемые нейтрино — частицы, родившиеся на кончике пера физиков-теоретиков и экспериментально обнаруженные лишь сравнительно недавно. Нейтрино — удивительная частица. Масса ее ничтожна, и к тому же она не имеет электрического заряда. Исходя из этого, итальянский физик Энрико Ферми и предложил название «нейтрино», что по-итальянски одновременно означает и маленький и нейтральный. Благодаря этим свойствам нейтрино совершенно беспрепятственно проходит сквозь гигантские толщи вещества. Как говорят физики, длина свободного пробега этой частицы, то есть среднее расстояние, которое она способна пройти в веществе, не испытывая существенных взаимодействий с другими частицами, исчисляется миллионами миллиардов километров.

Это означает, что нейтрино, вылетевшее, например, по направлению к Земле с ближайшей звезды — Проксимы Центавра, удаленной от нас на 4 с половиной световых года, легко преодолело бы это расстояние даже в том случае, если бы все пространство между Проксимой Центавра и Землей было сплошь заполнено чугуном. Более того, достигнув нашей планеты, нейтрино могли бы, продолжая свое движение, преодолеть еще несколько подобных препятствий.

Нейтрино не удается наблюдать непосредственно. Но его можно обнаружить, заставив вступить в какое-либо взаимодействие с другими частицами. Примерно таким же образом мы судим о невидимых рентгеновских лучах, наблюдая почернение фотопластинки. Однако для осуществления подобного эксперимента необходимо располагать мощными источниками нейтринного излучения.

Теория утверждала, что некоторые типы ядерных реакторов должны создавать интенсивные нейтринные потоки, до 10 миллиардов частиц за каждую миллиардную долю секунды. Само это излучение наблюдать нельзя. Но если направить его на вещество, содержащее ядра атомов водорода — протоны, то это вызовет ядерную реакцию: протоны начнут превращаться в нейтроны. Правда, подобные превращения будут происходить довольно редко. В целой тонне водородосодержащего вещества в течение часа должно произойти всего около 100 подобных взаимодействий. Но и этого уже достаточно, чтобы их можно было зарегистрировать методами современной измерительной техники. Именно таким косвенным путем и удалось наконец поймать нейтрино и доказать, что эта почти мифическая частица реально существует.

Материальная природа нейтрино вполне осязаема. Это было подтверждено в очень интересном эксперименте советского физика А. И. Лейпунского, который обнаружил, что при испускании нейтрино атомное ядро испытывает отдачу, подобную той, какую испытывает винтовка при вылете пули.

Как и другие элементарные частицы, нейтрино имеет своего антипода — антинейтрино. Но отличаются они друг от друга не разными знаками заряда, как, например, электрон и позитрон, а направлением собственного вращения, которым обладают все элементарные частицы. Характер этого вращения выражается особой физической величиной, называемой спином.

При изучении явлений, протекающих в микромире, было установлено, что многие физические величины, характеризующие состояние атомов, могут принимать лишь дискретные значения. В частности, излучение и передача энергии в микромире происходят не непрерывно, а строго определенными порциями — квантами. Этому правилу подчиняется и спин. Как говорят физики, спин квантуется. Он может принимать только численные значения, кратные 1/2. Другими словами, спин может выражаться либо целым числом, либо целым числом плюс половина.

Спин нейтрино равен 1, а у гравитона, по подсчетам П. Дирака, он равняется 2.

Высказанное П. Дираком в 1959 году предположение, что гравитон — это результат объединения двух нейтрино, представляется весьма правдоподобным, если учесть колоссальную проникающую способность и тех и других частиц. Все это служит еще одним подтверждением материальности поля тяготения.

Гравитационные волны

Кстати сказать, то обстоятельство, что тяготение передается от одного небесного тела к другому, свидетельствует о наличии какого-то соответствующего материального носителя гравитации.

Более того, при некоторых определенных условиях поле тяготения может частично как бы отрываться от породивших его тел и излучаться в окружающее пространство в виде волн. Мощность таких гравитационных волн ничтожна, поэтому непосредственно обнаружить их пока что не удалось. Однако, по мнению крупнейших современных специалистов в области гравитации, существование волн тяготения несомненно. Например, советский ученый профессор А. С. Компанеец считает, что гравитационные волны физически реальны и тело, излучающее такие волны, постепенно теряет энергию. Но если волны тяготения несут с собой энергию, это как раз и подтверждает наличие материального носителя гравитации. За миллиарды лет в нашей области вселенной должно было накопиться значительное количество гравитационных волн. По подсчетам американского ученого Дж. Уиллера, плотность энергии гравитационных волн во вселенной приблизительно равна плотности энергии всей обычной материи в виде звезд, туманностей, космической пыли и т. д.

Нет места для бога

Все данные современной науки убедительно свидетельствуют о материальном единстве всей вселенной, о материальном характере всех без исключения происходящих в мире явлений. Что же касается сверхъестественных сил, бога, то для них в реальном мире нет места, ибо во вселенной нет пустого пространства, вся она целиком заполнена материей. Мы уже рассматривали с точки зрения современных научных представлений вопрос о возможности размещения царства небесного где-то в удаленных уголках вселенной. Те же самые последствия имели бы место и в том случае, если бы божественная резиденция располагалась вовсе за границами материального мира.

Но допустим, что бог не нуждается в тех материальных переносчиках информации, которые существуют в природе, и все необходимые ему сведения получает мгновенно, независимо от расстояния; допустим, что и его распоряжения распространяются с такой же скоростью. Разумеется, это противоречит реальному положению вещей, но ведь богословы утверждают, что для бога вообще не существует ничего невозможного. Поэтому допустим на минуту невозможное.

Может быть, все, о чем говорилось в этой главе, относится лишь к какой-то части пространства, может быть, материальная вселенная ограничена, а за ее границами располагается резиденция бога, царство небесное?

Конечна или бесконечна материальная вселенная?