Уровни организации материи

Структурные уровни организации материи

Введение

В современной науке в основе представлений о строении материального мира лежит системный подход, согласно которому любой объект материального мира, будь то атом, планета, организм или галактика, может быть рассмотрен как сложное образование, включающее составные части, организованные в целостность. Для обозначения целостности объектов в науке было выработано понятие «системы.

Система представляет собой совокупность элементов и связей между ними.

Понятие «элемент» означает минимальный, далее неделимый компонент в рамках системы. Элемент является таковым лишь по отношению к данной системе, в других же отношениях он сам может представлять сложную систему.

Совокупность связей между элементами образует структуру системы.

Устойчивые связи элементов определяют упорядоченность системы. Существуют два типа связей между элементами системы: по «горизонтали» и по «вертикали».

Связи по «горизонтали» - это связи координации между однопорядковыми элементами. Они носят коррелирующий характер: ни одна часть системы не может измениться без того, чтобы не изменились другие части.

Связи по «вертикали» - это связи субординации, т.е. соподчинения элементов. Они выражают сложное внутреннее устройство системы, где одни части по своей значимости могут уступать другим и подчиняться им. Вертикальная структура включает уровни организации системы, а также их иерархию.

Исходным пунктом всякого системного исследования является представление о целостности изучаемой системы.

Целостность системы означает, что все ее составные части, соединяясь вместе, образуют уникальное целое, обладающее новыми интегративными свойствами.

Свойства системы - не просто сумма свойств ее элементов, а нечто новое, присущее только системе в целом. Например, молекула воды Н₂О. Сам по себе водород, два атома которого образуют данную систему, горит, а кислород (в нее входит один атом) поддерживает горение. Система же, образовавшаяся из этих элементов, вызвала к жизни совсем иное, а именно, интегративное свойство: вода гасит огонь. Наличие свойств, присущих системе в целом, но не ее частям, определяется взаимодействием элементов.

Итак, согласно современным научным взглядам на природу, все природные объекты представляют собой упорядоченные, структурированные, иерархически организованные системы. Все системы делятся на закрытые, в которых отсутствуют связи с внешней средой, и открытые, связанные с внешней окружающей средой.

Закрытой система может быть только теоретически, реальные природные объекты существуют во внешней среде, обмениваясь с ней веществом, энергией и информацией. Любой материальный объект от атома и клетки до галактики входит в систему более высокого уровня и может существовать только во взаимодействии с окружающей средой.

В естественных науках выделяются два больших класса материальных систем: системы неживой природы и системы живой природы.

В неживой природе в качестве структурных уровней организации материи выделяют физический вакуум, элементарные частицы, атомы, молекулы, поля, макроскопические тела, планеты и планетные системы, звезды и звездные системы - галактики, системы галактик - метагалактику.

В живой природе к структурным уровням организации материи относят системы доклеточного уровня - нуклеиновые кислоты и белки; клетки как особый уровень биологической организации, представленные в форме одноклеточных организмов и элементарных единиц живого вещества; многоклеточные организмы растительного и животного мира; надорганизменные структуры, включающие виды, популяции и биоценозы и, наконец, биосферу как всю массу живого вещества.

В природе все взаимосвязано, поэтому можно выделить такие системы, которые включают элементы как живой, так и неживой природы - биогеоценозы.

Естественные науки, начав изучение материального мира с наиболее простых непосредственно воспринимаемых человеком материальных объектов, переходят далее к изучению сложнейших объектов глубинных структур материи, выходящих за пределы человеческого восприятия и несоизмеримых с объектами повседневного опыта.

Применяя системный подход, естествознание не просто выделяет типы материальных систем, а раскрывает их связь и соотношение.

В науке выделяются три уровня строения материи.

Макромир - мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время - в секундах, минутах, часах, годах.

Микромир - мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется от 10^-8 до 10^-16 см, а время жизни - от бесконечности до 10^-24 с.

Мегамир - мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов - миллионами и миллиардами лет.

И хотя на этих уровнях действуют свои специфические закономерности, микро-, макро- и мегамиры теснейшим образом взаимосвязаны.

В настоящее время в области фундаментальной теоретической физики разрабатываются концепции, согласно которым объективно существующий мир не исчерпывается материальным миром, воспринимаемым нашими органами чувств или физическими приборами. Авторы данных концепций пришли к следующему выводу: наряду с материальным миром существует реальность высшего порядка, обладающая принципиально иной природой по сравнению с реальностью материального мира. С их точки зрения, мир высшей реальности определяет структуру и эволюцию материального мира. Утверждается, что объектами мира высшей реальности выступают не материальные системы, как в микро-, макро- и мегамирах, а некие идеальные физические и математические структуры, которые проявляются в материальном мире в виде естественнонаучных законов. Эти структуры выступают как носители идей необходимости, общезначимости и регулярности, которые выражают сущность объективных физических законов.

Но одних законов, порожденных такого рода физическими и математическими структурами, явно недостаточно для существования материального мира. Необходимо множество программ, определяющих «поведение» и эволюцию материальных объектов. Подобно тому как знание уравнений не обеспечивает решения задачи (для этого нужно еще и знание начальных условий), так и в общем случае наряду с фундаментальными законами должны существовать дополнительные к ним сущности - программы.

С точки зрения указанного подхода каждая материальная система является воплощением некоторой идеальной структуры, а ее эволюция определяется некой программой. Программа предполагает определенную направленность развития, т.е. его цель. Поскольку никакая программа не может возникнуть сама по себе, а является продуктом творческого акта, то, как считают некоторые физики-теоретики, Вселенной присущ творческий Разум. С их точки зрения, материальный мир есть лишь самый «нижний» слой бытия, взаимодействующий со всеми другими слоями и определяемый ими.

Над миром материальных объектов возвышаются:

этаж идеальных физических и математических структур, задающих фундаментальные законы природы;

этаж многочисленных программ, определяющих эволюцию Вселенной в целом и материальных систем в частности;

этаж духовного мира человека - мира духовной свободы. Вершиной в иерархической структуре Вселенной является Высший Разум как трансцендентное, т.е. сверхчувственное, сверхличностное Первоначало всего мироздания, возвышающееся над природой и человеком.

Такой подход противоречит строго научному знанию и представляет по своей сути проявление религиозного мировоззрения.

1. Макромир: концепции классического естествознания

В истории изучения природы можно выделить два этапа: донаучный и научный.

Донаучный, или натурфилософский, охватывает период от античности до становления экспериментального естествознания в XVI-XVII вв. В этот период учения о природе носили чисто натурфилософский характер: наблюдаемые природные явления объяснялись на основе умозрительных философских принципов.

Наиболее значимой для последующего развития естественных наук была концепция дискретного строения материи - атомизм, согласно которому все тела состоят из атомов - мельчайших в мире частиц.

Античный атомизм был первой теоретической программой объяснения целого как суммы отдельных составляющих его частей. Исходными началами в атомизме выступали атомы и пустота. Сущность протекания природных процессов объяснялась на основе механического взаимодействия атомов, их притяжения и отталкивания. Механистическая программа описания природы, впервые выдвинутая в античном атомизме, наиболее полно реализовалась в классической механике, со становления которой начинается научный этап изучения природы.

Поскольку современные научные представления о структурных уровнях организации материи были выработаны в ходе критического переосмысления представлений классической науки, применимых только к объектам макроуровня, то начинать исследование нужно с концепций классической физики.

Формирование научных взглядов на строение материи относится к XVI в., когда Г. Галилеем была заложена основа первой в истории науки физической картины мира - механистической. Он не просто обосновал гелиоцентрическую систему Н. Коперника и открыл закон инерции, а разработал методологию но_г вого способа описания природы - научно-теоретического. Суть его заключалась в том, что выделялись только некоторые физические и геометрические характеристики, которые становились предметом научного исследования. Галилей писал: «Никогда я не стану от внешних тел требовать чего-либо иного, чем величина, фигура, количество и более или менее быстрого движения для того, чтобы объяснить возникновение вкуса, запаха и звука»¹. Выделение отдельных характеристик объекта позволяло строить теоретические модели и проверять их в условиях научного эксперимента. Эта методологическая концепция, впервые сформулированная Галилеем в труде «Пробирные весы», оказала решающее влияние на становление классического естествознания.

И. Ньютон, опираясь на труды Галилея, разработал строгую научную теорию механики, описывающую и движение небесных

тел, и движение земных объектов одними и теми же законами. Природа рассматривалась как сложная механическая система.

В рамках механистической картины мира, разработанной И. Ньютоном и его последователями, сложилась дискретная (корпускулярная) модель реальности. Материя рассматривалась как вещественная субстанция, состоящая из отдельных частиц - атомов или корпускул. Атомы абсолютно прочны, неделимы, непроницаемы, характеризуются наличием массы и веса.

Существенной характеристикой ньютоновского мира было трехмерное пространство евклидовой геометрии, которое абсолютно постоянно и всегда пребывает в покое. Время представлялось как величина, не зависящая ни от пространства, ни от материи.

Движение рассматривалось как перемещение в пространстве по непрерывным траекториям в соответствии с законами механики. Считалось, что все физические процессы можно свести к перемещению материальных точек под действием силы тяготения, которая является дальнодействующей.

Итогом ньютоновской картины мира явился образ Вселенной как гигантского и полностью детерминированного механизма, где события и процессы являют собой цепь взаимозависимых причин и следствий. Отсюда и вера в то, что теоретически можно точно реконструировать любую прошлую ситуацию во Вселенной или предсказать будущее с абсолютной определенностью. И.Р. Пригожин назвал эту веру в безграничную предсказуемость «основополагающим мифом классической науки».

Механистический подход к описанию природы оказался необычайно плодотворным. Вслед за ньютоновской механикой были созданы гидродинамика, теория упругости, механическая теория тепла, молекулярно-кинетическая теория и целый ряд других, в русле которых физика достигла огромных успехов. Однако были две области - оптических и электромагнитных явлений, которые не могли быть полностью объяснены в рамках механистической картины мира.

Разрабатывая оптику, И. Ньютон, следуя логике своего учения, считал свет потоком материальных частиц - корпускул. В корпускулярной теории света И. Ньютона утверждалось, что светящиеся тела излучают мельчайшие частицы, которые движутся в согласии с законами механики и вызывают ощущение света, попадая в глаз. На базе этой теории И. Ньютон дал объяснение законам отражения и преломления света.

Наряду с механистической корпускулярной теорией осуществлялись попытки объяснить оптические явления принципиально иным путем, а именно, на основе волновой теории, сформулированной X. Гюйгенсом. Волновая теория устанавливала аналогию между распространением света и движением волн на поверхности воды или звуковых волн в воздухе. В ней предполагалось наличие упругой среды, заполняющей все пространство, - светоносного эфира. Распространение света рассматривалось как распространение колебаний эфира: каждая отдельная точка эфира колеблется в вертикальном направлении, а колебания всех точек создают картину волны, которая перемещается в пространстве от одного момента времени к другому. Главным аргументом в пользу своей теории X. Гюйгенс считал тот факт, что два луча света, пересекаясь, пронизывают друг друга без каких-либо помех в точности, как два ряда волн на воде.

Согласно же корпускулярной теории, между пучками излученных частиц, каковыми является свет, возникали бы столкновения или, по крайней мере, какие-либо возмущения. Исходя из волновой теории X. Гюйгенс успешно объяснил отражение и преломление света.

Однако против нее существовало одно важное возражение. Как известно, волны обтекают препятствия. А луч света, распространяясь по прямой, обтекать препятствия не может. Если на пути луча света поместить непрозрачное тело с резкой гранью, то его тень будет иметь резкую границу. Однако это возражение вскоре было снято благодаря опытам Ф.М. Гримальди. При более тонком наблюдении с использованием увеличительных линз обнаруживалось, что на границах резких теней можно видеть слабые участки освещенности в форме перемежающихся светлых и темных полосок или ореолов. Это явление было названо дифракцией света. Именно открытие дифракции сделало X. Гюйгенса ревностным сторонником волновой теории света. Однако авторитет И. Ньютона был настолько высок, что корпускулярная теория воспринималась безоговорочно даже несмотря на то, что на ее основе нельзя было объяснить явление дифракции.

Волновая теория света была вновь выдвинута в первые десятилетия XIX в. английским физиком Г. Юнгом и французским естествоиспытателем О.Ж. Френелем. Т. Юнг дал объяснение явлению интерференции, т.е. появлению темных полосок при наложении света на свет. Суть ее можно описать с помощью парадоксального утверждения: свет, добавленный к свету, не обязательно дает более сильный свет, но может давать более слабый и даже темноту. Причина этого заключается в том, что согласно волновой теории, свет представляет собой не поток материальных частиц, а колебания упругой среды, или волновое движение. При наложении друг на друга цепочек волн в противоположных фазах, где гребень одной волны совмещается со впадиной другой, они уничтожают друг друга, в результате чего появляются темные полосы.

Явления интерференции и дифракции могли быть объяснены только в рамках волновой теории и не поддавались объяснению на основе механистической корпускулярной теории света.

Другой областью физики, где механические модели оказались неадекватными, была область электромагнитных явлений. Эксперименты английского естествоиспытателя М. Фарадея и теоретические работы английского физика Дж.К. Максвелла окончательно разрушили представления ньютоновской физики о дискретном веществе как единственном виде материи и положили начало электромагнитной картине мира.

Явление электромагнетизма открыл датский естествоиспытатель Х.К. Эрстед, который впервые заметил магнитное действие электрических токов. Продолжая исследования в этом направлении, М. Фарадей обнаружил, что временное изменение в магнитных полях создает электрический ток. Осмысливая свои эксперименты, он ввел понятие «силовые линии». М. Фарадей, обладавший талантом экспериментатора и богатым воображением, с классической ясностью представлял себе действие электрических сил от точки к точке в их «силовом поле». На основе своего представления о силовых линиях он предположил, что существует глубокое родство между электричеством и светом, и хотел построить и экспериментально обосновать новую оптику, в которой свет рассматривался бы как колебания силового поля. Эта мысль была необычайно смела для того времени, но достойна исследователя, который считал, что только тот находит великое, кто исследует маловероятное.

М. Фарадей пришел к выводу, что учение об электричестве и оптика взаимосвязаны и образуют единую область. Его работы стали исходным пунктом для исследований Дж.К. Максвелла, заслуга которого состоит в математической разработке идей М. Фарадея о магнетизме и электричестве. Используя высокоразвитые математические методы, Максвелл «перевел» модель силовых линий Фарадея в математическую формулу. Понятие «поле сил» первоначально складывалось как вспомогательное математическое понятие. Дж.К. Максвелл придал ему физический смысл и стал рассматривать поле как самостоятельную физическую реальность: «Электромагнитное поле - это та часть пространства, которая содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии»¹. Обобщив установленные ранее экспериментальным путем законы электромагнитных явлений (Кулона, Ампера, Био-Савара) и открытое М. Фарадеем явление электромагнитной индукции, Максвелл чисто математическим путем вычислил систему дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитное поле. Эта система уравнений дает в пределах своей применимости полное описание электромагнитных явлений и представляет собой столь же совершенную и логически стройную теорию, как и система ньютоновской механики.

Из уравнений следовал важнейший вывод о возможности самостоятельного существования поля, не «привязанного» к электрическим зарядам. В дифференциальных уравнениях Максвелла вихри электрического и магнитного полей определяются производными по времени не от своих, а от чужих полей: электрическое - от магнитного и, наоборот, магнитное - от электрического. Поэтому если меняется со временем магнитное поле, то существует и переменное электрическое поле, которое в свою очередь ведет к изменению магнитного поля. В результате происходит постоянное изменение векторов напряженности электрического и магнитного полей, т.е. возникает переменное электромагнитное поле, которое уже не привязано к заряду, а отрывается от него, самостоятельно существуя и распространяясь в пространстве. Вычисленная им скорость распространения электромагнитного поля оказалась равна скорости света. Исходя из этого, Максвелл смог заключить, что световые волны представляют собой электромагнитные волны. Единая сущность света и электричества, которую М. Фарадей предположил в 1845 г., а Дж.К. Максвелл теоретически обосновал в 1862 г., была экспериментально подтверждена немецким физиком Г. Герцем в 1888 г.

В экспериментах Г. Герца в результате искровых разрядов между двумя заряженными шарами появлялись электромагнитные волны. Когда они падали на круговой проволочный виток, то создавали в нем токи, о появлении которых свидетельствовали искры, проскакивающие через разрыв. Г. Герц успешно провел отражение этих волн и их интерференцию, т.е. те явления, которые характерны для световых волн, а затем измерил длину электромагнитных волн. Зная частоту колебаний, он смог подсчитать скорость распространения электромагнитных волн, которая оказалась равна скорости света. Это прямо подтвердило гипотезу Максвелла.

После экспериментов Г. Герца в физике окончательно утвердилось понятие поля не в качестве вспомогательной математической конструкции, а как объективно существующей физической реальности. Был открыт качественно новый, своеобразный вид материи.

Итак, к концу XIX в. физика пришла к выводу, что материя существует в двух видах: дискретного вещества и непрерывного поля.

Вещество и поле различаются как корпускулярные и волновые сущности: вещество дискретно и состоит из атомов, а поле непрерывно.

Вещество и поле различаются по своим физическим характеристикам: частицы вещества обладают массой покоя, а поле - нет.

Вещество и поле различаются по степени проницаемости: вещество мало проницаемо, а поле, наоборот, полностью проницаемо.

Скорость распространения поля равна скорости света, а скорость движения частиц вещества меньше ее на много порядков.

2. Микромир: концепции современной физики

Квантово-механическая концепция описания микромира

При переходе к исследованию микромира обнаружилось, что физическая реальность едина и нет пропасти между веществом и полем.

Изучая микрочастицы, ученые столкнулись с парадоксальной с точки зрения классической науки ситуацией: одни и те же объекты обнаруживали как волновые, так и корпускулярные свойства.

Первый шаг в этом направлении был сделан немецким физиком М. Планком. Как известно, в конце XIX в. в физике возникла трудность, которая получила название «ультрафиолетовой катастрофы». В соответствии с расчетами по формуле классической электродинамики интенсивность теплового излучения абсолютно черного тела должна была неограниченно возрастать, что явно противоречило опыту. В процессе работы по исследованию теплового излучения, которую М. Планк назвал самой тяжелой в своей жизни, он пришел к ошеломляющему выводу о том, что в процессах излучения энергия может быть отдана или поглощена не непрерывно и не в любых количествах, а лишь в известных неделимых порциях - квантах. Энергия квантов определяется через число колебаний соответствующего вида излучения и универсальную естественную константу, которую М. Планк ввел в науку под символом h: Е= h у.

Если введение кванта еще не создало настоящей квантовой теории, как неоднократно подчеркивал М. Планк, то все же 14 декабря 1900 г., в день опубликования формулы, был заложен ее фундамент. Поэтому в истории физики этот день считается днем рождения квантовой физики. А поскольку понятие элементарного кванта действия служило в дальнейшем основой для понимания всех свойств атомной оболочки и атомного ядра, то 14 декабря 1900 г. следует рассматривать и как день рождения всей атомной физики и начало новой эры естествознания.

Первым физиком, который восторженно принял открытие элементарного кванта действия и творчески развил его, был А. Эйнштейн. В 1905 г. он перенес гениальную идею квантованного поглощения и отдачи энергии при тепловом излучении на излучение вообще и таким образом обосновал новое учение о свете.

Представление о свете как о потоке быстро движущихся квантов было чрезвычайно смелым, почти дерзким, в правильность которого вначале поверили немногие. Прежде всего, с расширением квантовой гипотезы до квантовой теории света был не согласен сам М. Планк, относивший свою квантовую формулу только к рассматриваемым им законам теплового излучения черного тела.

А. Эйнштейн предположил, что речь идет о естественной закономерности всеобщего характера. Не оглядываясь на господствующие в оптике взгляды, он применил гипотезу Планка к свету и пришел к выводу, что следует признать корпускулярную структуру света.

Квантовая теория света, или фотонная теория А Эйнштейна, утверждала, что свет есть постоянно распространяющееся в мировом пространстве волновое явление. И вместе с тем световая энергия, чтобы быть физически действенной, концентрируется лишь в определенных местах, поэтому свет имеет прерывную структуру. Свет может рассматриваться как поток неделимых энергетических зерен, световых квантов, или фотонов. Их энергия определяется элементарным квантом действия Планка и соответствующим числом колебаний. Свет различной окраски состоит из световых квантов различной энергии.

Эйнштейновское представление о световых квантах помогло понять и наглядно представить явление фотоэлектрического эффекта, суть которого заключается в выбивании электронов из вещества под действием электромагнитных волн. Эксперименты показали, что наличие или отсутствие фотоэффекта определяется не интенсивностью падающей волны, а ее частотой. Если предположить, что каждый электрон вырывается одним фотоном, то становится ясно следующее: эффект возникает лишь в том случае, если энергия фотона, а следовательно, и его частота, достаточно велика для преодоления сил связи электрона с веществом.

Правильность такого толкования фотоэлектрического эффекта (за эту работу Эйнштейн в 1922 г. получил Нобелевскую премию по физике) через 10 лет получила подтверждение в экспериментах американского физика Р.Э. Милликена. Открытое в 1923 г. американским физиком А.Х. Комптоном явление (эффект Комптона), которое отмечается при воздействии очень жесткими рентгеновскими лучами на атомы со свободными электронами, вновь и уже окончательно подтвердило квантовую теорию света. Эта теория относится к наиболее подтвержденным экспериментально физическим теориям. Но волновая природа света была уже твердо установлена опытами по интерференции и дифракции.

Возникла парадоксальная ситуация: обнаружилось, что свет ведет себя не только как волна, но и как поток корпускул. В опытах по дифракции и интерференции проявляются его волновые свойства, а при фотоэффекте - корпускулярные. При этом фотон оказался корпускулой совершенно особого рода. Основная характеристика его дискретности - присущая ему порция энергии - вычислялась через чисто волновую характеристику - частоту у (Е= Ну).

Как и все великие естественнонаучные открытия, новое учение о свете имело фундаментальное теоретико-познавательное значение. Старое положение о непрерывности природных процессов, которое было основательно поколеблено М. Планком, Эйнштейн исключил из гораздо более обширной области физических явлений.

Развивая представления М. Планка и А. Эйнштейна, французский физик Луи де Брошь в 1924 г.выдвинул идею о волновых свойствах материи. В своей работе «Свет и материя» он писал о необходимости использовать волновые и корпускулярные представления не только в соответствии с учением А. Эйнштейна в теории света, но также и в теории материи.

Л. де Бройль утверждал, что волновые свойства, наряду с корпускулярными, присущи всем видам материи: электронам, протонам, атомам, молекулам и даже макроскопическим телам.

Согласно де Бройлю, любому телу с массой т, движущемуся со скоростью V, соответствует волна:

Фактически аналогичная формула была известна раньше, но только применительно к квантам света - фотонам.

В 1926 г. австрийский физик Э. Шредингер нашел математическое уравнение, определяющее поведение волн материи, так называемое уравнение Шредингера. Английский физик П. Дирак обобщил его.

Смелая мысль Л. де Бройля о всеобщем «дуализме» частицы и волны позволила построить теорию, с помощью которой можно было охватить свойства материи и света в их единстве. Кванты света становились при этом особым моментом всеобщего строения микромира.

Волны материи, которые первоначально представлялись как наглядно-реальные волновые процессы по типу волн акустики, приняли абстрактно-математический облик и получили благодаря немецкому физику М. Борну символическое значение как «волны вероятности».

Однако гипотеза де Бройля нуждалась в опытном подтверждении. Наиболее убедительным свидетельством существования волновых свойств материи стало обнаружение в 1927 г. дифракции электронов американскими физиками К. Дэвиссоном и Л. Джер-мером. В дальнейшем были выполнены опыты по обнаружению дифракции нейтронов, атомов и даже молекул. Во всех случаях результаты полностью подтверждали гипотезу де Бройля. Еще более важным было открытие новых элементарных частиц, предсказанных на основе системы формул развитой волновой механики.

Признание корпускулярно-волнового дуализма в современной физике стало всеобщим. Любой материальный объект характеризуется наличием как корпускулярных, так и волновых свойств.

Тот факт, что один и тот же объект проявляется и как частица и как волна, разрушал традиционные представления.

Форма частицы подразумевает сущность, заключенную в малом объеме или в конечной области пространства, тогда как волна распространяется по его огромным областям. В квантовой физике эти два описания реальности являются взаимоисключающими, но равно необходимыми для того, чтобы полностью описать рассматриваемые явления.

Окончательное формирование квантовой механики как последовательной теории произошло благодаря работам немецкого физика В. Гейзенберга, установившего принцип неопределенности? и датского физика Н. Бора, сформулировавшего принцип дополнительности, на основании которых описывается поведение микрообъектов.

Суть соотношения неопределенностей В. Гейзенберга заключается в следующем. Допустим, ставится задача определить состояние движущейся частицы. Если бы можно было воспользоваться законами классической механики, то ситуация была бы простой: следовало лишь определить координаты частицы и ее импульс (количество движения). Но законы классической механики для микрочастиц применяться не могут: невозможно не только практически, но и вообще с одинаковой точностью установить место и величину движения микрочастицы. Только одно из этих двух свойств можно определить точно. В своей книге «Физика атомного ядра» В. Гейзенберг раскрывает содержание соотношения неопределенностей. Он пишет, что никогда нельзя одновременно точно знать оба параметра - координату и скорость. Никогда нельзя одновременно знать, где находится частица, как быстро и в каком направлении она движется. Если ставится эксперимент, который точно показывает, где частица находится в данный момент, то движение нарушается в такой степени, что частицу после этого невозможно найти. И наоборот, при точном измерении скорости нельзя определить место расположения частицы.

С точки зрения классической механики, соотношение неопределенностей представляется абсурдом. Чтобы лучше оценить создавшееся положение, нужно иметь в виду, что мы, люди, живем в макромире и в принципе не можем построить наглядную модель, которая была бы адекватна микромиру. Соотношение неопределенностей есть выражение невозможности наблюдать микромир, не нарушая его. Любая попытка дать четкую картину микрофизических процессов должна опираться либо на корпускулярное, либо на волновое толкование. При корпускулярном описании измерение проводится для того, чтобы получить точное значение энергии и величины движения микрочастицы, например, при рассеивании электронов. При экспериментах, направленных на точное определение места, напротив, используется волновое объяснение, в частности, при прохождении электронов через тонкие пластинки или при наблюдении отклонения лучей.

Существование элементарного кванта действия служит препятствием для установления одновременно и с одинаковой точностью величин «канонически связанных», т.е. положения и величины движения частицы.

Фундаментальным принципом квантовой механики наряду с соотношением неопределенностей является принцип дополнительности, которому Н. Бор дал следующую формулировку: «Понятия частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего»¹.

Противоречия корпускулярно-волновых свойств микрообъектов являются результатом неконтролируемого взаимодействия микрообъектов и макроприборов. Имеется два класса приборов: в одних квантовые объекты ведут себя как волны, в других - подобно частицам. В экспериментах мы наблюдаем не реальность как таковую, а лишь квантовое явление, включающее результат взаимодействия прибора с микрообъектом. М. Борн образно заметил, что волны и частицы - это «проекции» физической реальности на экспериментальную ситуацию.

Ученый, исследующий микромир, превращается, таким образом, из наблюдателя в действующее лицо, поскольку физическая реальность зависит от прибора, т.е. в конечном счете от произвола наблюдателя. Поэтому Н. Бор и считал, что физик познает не саму реальность, а лишь собственный контакт с ней.

Существенной чертой квантовой механики является вероятностный характер предсказаний поведения микрообъектов, которое описывается при помощи волновой функции Э. Шредингера. Волновая функция определяет параметры будущего состояния микрообъекта с той или иной степенью вероятности. Это означает, что при проведении одинаковых опытов с одинаковыми объектами каждый раз будут получаться разные результаты. Однако некоторые значения будут более вероятными, чем другие, т.е. будет известно лишь вероятностное распределение значений.

С учетом факторов неопределенности, дополнительности и вероятности Н. Бор дал так называемую «копенгагенскую» интерпретацию сути квантовой теории: «Раньше было принято считать, что физика описывает Вселенную. Теперь мы знаем, что физика описывает лишь то, что мы можем сказать о Вселенной»¹.

Позицию Н. Бора разделяли В. Гейзенберг, М. Борн, В. Паули и ряд других менее известных физиков. Сторонники копенгагенской интерпретации квантовой механики не признавали причинность или детерминизм в микромире и считали, что в основе физической реальности лежит фундаментальная неопределенность - индетерминизм.

Представителям копенгагенской школы резко возражали Г.А. Лоренц, М. Планк, М. Лауэ, А. Эйнштейн, П. Ланжевен и др. А. Эйнштейн писал по этому поводу М. Борну: «В наших научных взглядах мы развились в антиподы. Ты веришь в играющего в кости Бога, а я - в полную закономерность объективно сущего… В чем я твердо убежден, так это в том, что в конце концов остановятся на теории, в которой закономерно связанными будут не вероятности, но факты»². Он выступал против принципа неопределенности, за детерминизм, против той роли, которую в квантовой механике отводят акту наблюдения. Дальнейшее развитие физики показало правоту Эйнштейна, который считал, что квантовая теория в существующем виде просто является незаконченной: то, что физики пока не могут избавиться от неопределенности, свидетельствует не об ограниченности научного метода, как утверждал Н. Бор, а лишь о незавершенности квантовой механики. Эйнштейн приводил все новые и новые аргументы в подтверждение своей точки зрения.

Наиболее известен так называемый парадокс Эйнштейна - Подольского - Розена, или ЭПР-парадокс, при помощи которого они хотели доказать незавершенность квантовой механики. Парадокс представляет собой мысленный эксперимент: что случится, если состоящая из двух протонов частица распадется так, что протоны разлетятся в противоположные стороны? Из-за общности происхождения их свойства связаны или, как говорят физики, коррелируют друг с другом. По закону сохранения импульса, если один протон полетит вверх, то второй - обязательно вниз. Измерив импульс одного протона, мы обязательно узнаем и импульс другого, даже если он улетел на другой конец Вселенной. Между частицами существует нелокальная связь, которую Эйнштейн назвал «действием призраков на расстоянии», при котором каждая частица в каждый любой момент времени знает, где находится другая и что с ней происходит.

ЭПР-парадокс несовместим с неопределенностью, постулируемой в квантовой механике. Эйнштейн считал, что есть какие-то скрытые параметры, которые не учтены. Вопросы: существует ли детерминизм и причинность в области микромира; полна ли квантовая механика; существуют ли скрытые параметры, которые она не учитывает, были предметом дискуссий физиков более полувека и нашли свое разрешение на теоретическом уровне только в конце XX в.

В 1964 г. Дж.С. Бела обосновал положение, согласно которому квантовая механика предсказывает более сильную корреляцию между взаимно связанными частицами, чем та, о которой говорил Эйнштейн.

Теорема Белла утверждает: если некоторая объективная Вселенная существует и если уравнения квантовой механики структурно подобны этой Вселенной, то между двумя частицами, когда-либо входившими в контакт, существует некоторый вид нелокальной связи. Суть теоремы Белла заключается в том, что не существует изолированных систем: каждая частица Вселенной находится в «мгновенной» связи со всеми остальными частицами. Вся система, даже если ее части разделены огромными расстояниями и между ними отсутствуют сигналы, поля, механические силы, энергия и т.д., функционирует как единая система.

В середине 80-х годов А. Аспект (Парижский университет) проверил эту связь экспериментально, изучая поляризацию пар фотонов, испускаемых одним источником в направлении изолированных детекторов. При сравнении результатов двух серий измерений между ними обнаружилась согласованность. С точки зрения известного физика Д. Бома, эксперименты А. Аспекта подтвердили теорему Белла и поддержали позиции нелокальных скрытых переменных, существование которых предположил А. Эйнштейн. В трактовке квантовой механики Д. Бомом нет неопределенности координат частицы и ее импульса.

Учеными было высказано предположение, что связь осуществляется через передачу информации, носителями которой выступают особые поля.

Волновая генетика

Открытия, сделанные в квантовой механике, оказали плодотворное воздействие не только на развитие физики, но и на другие области естествознания, прежде всего на биологию, в рамках которой была разработана концепция волновой, или квантовой, генетики.

Когда в 1962 г. Дж. Уотсон, А. Уилсон и Ф. Крик получили Нобелевскую премию за открытие двойной спирали ДНК, несущей наследственную информацию, то генетикам показалось, что основные проблемы передачи генетической информации близки к разрешению. Вся информация записана в генах, совокупность которых в клеточных хромосомах определяет программу развития организма. Ставилась задача расшифровки генетического кода, под которым понималась вся последовательность нуклеотидов в ДНК.

Однако действительность не оправдала ожиданий ученых. После открытия структуры ДНК и детального рассмотрения участия этой молекулы в генетических процессах основная проблема феномена жизни - механизмы ее воспроизведения - осталась, по сути, нераскрытой. Расшифровка генетического кода дала возможность объяснить синтез белков. Классические генетики исходили из того, что генетические молекулы, ДНК, имеют вещественную природу и работают как вещество, представляя собой вещественную матрицу, на которую записан вещественный генетический код. В соответствии с ним нарабатывается плотский, вещественный и материальный организм. Но вопрос о том, каким образом в хромосомах кодируется пространственно-временная структура организма, на основе знания последовательности нуклеотидов решить нельзя. Советскими учеными А.А. Любищевым и А.Г. Гурвичем еще в 20-30-е годы была высказана мысль о том, что рассмотрение генов как чисто вещественных структур явно недостаточно для теоретического описания феномена жизни.

А.А. Любищев в своем труде «О природе наследственных факторов», изданном в 1925 г., писал о том, что гены не являются ни кусками хромосомы, ни молекулами автокаталитических ферментов, ни радикалами, ни физической структурой. Он считал, что нужно признать ген как потенциальную субстанцию. Лучшему пониманию идей А.А. Любищева способствует аналогия генетической молекулы с нотной записью. Нотная запись сама по себе вещественна и представляет собой значки на бумаге, но реализуются эти значки не в вещественном виде, а в звуках, которые являются акустическими волнами.

Развивая эти идеи, А.Г. Гурвич утверждал, что в генетике «необходимо ввести понятие биологического поля, свойства которого формально заимствованы из физических представлений»¹. Главная идея А.Г. Гурвича заключалась в том, что развитие эмбриона происходит по заранее установленной программе и принимает те формы, которые уже имеются в его поле. Он первый объяснил поведение компонентов развивающегося организма как целого на основе полевых представлений. Именно в поле содержатся формы, принимаемые эмбрионом в процессе развития. Виртуальную форму, определяющую результат процесса развития в любой его момент, Гурвич назвал динамически преформированной формой и тем самым ввел в первоначальную формулировку поля элемент телеологии. Разработав теорию клеточного поля, он распространил идею поля как принципа, регулирующего и координирующего эмбриональный процесс, также и на функционирование организмов. Обосновав общую идею поля, Гурвич сформулировал ее как универсальный принцип биологии. Им было открыто биофотонное излучение клетки.

Идеи русских биологов А.А. Любищева и А.Г. Гурвича являются гигантским интеллектуальным достижением, опередившим свое время. Суть их мыслей заключена в триаде:

Гены дуалистичны - они вещество и поле одновременно.

Полевые элементы хромосом размечают пространство - время организма - и тем самым управляют развитием биосистем.

Гены обладают эстетически-образной и речевой регуляторными функциями.

Эти идеи оставались недооцененными вплоть до появления работ В.П. Казначеева в 60-е годы XX в., в которых экспериментально были подтверждены предвидения ученых о наличии полевых форм передачи информации в живых организмах. Научное направление в биологии, представленное школой В.П. Казначеева, сформировалось как результат многочисленных фундаментальных исследований по так называемому зеркальному цитопатическому эффекту, выражавшемуся в том, что живые клетки, разделенные кварцевым стеклом, не пропускающим ни единой молекулы вещества, тем не менее обмениваются информацией. После работ

В.П. Казначеева существование волнового знакового канала между клетками биосистем уже не вызывало сомнения.

Одновременно с экспериментами В.П. Казначеева китайский исследователь Цзян Каньчжен провел серию супергенетических экспериментов, которые перекликались с предвидением А.Л. Любищева и А.Г. Гурвича. Отличие работ Цзян Каньчжена в том, что он проводил эксперименты не на клеточном уровне, а на уровне организма. Он исходил из того, что ДНК - генетический материал - существует в двух формах: пассивной (в виде ДНК) и активной (в виде электромагнитного поля). Первая форма сохраняет генетический код и обеспечивает стабильность организма, а вторая в состоянии его изменить путем воздействия на него биоэлектрическими сигналами. Китайский ученый сконструировал аппаратуру, которая была способна считывать, передавать на расстояние и вводить волновые супергенетические сигналы с биосистемы-донора в организм-акцептор. В результате он вывел немыслимые гибриды, «запрещенные» официальной генетикой, которая оперирует понятиями только вещественных генов. Так появились на свет животные и растительные химеры: куроутки; кукуруза, из початков которой росли пшеничные колосья, и т.д.

Выдающийся экспериментатор Цзян Каньчжен интуитивно понимал некоторые стороны фактически созданной им экспериментальной волновой генетики и считал, что носителями полевой геноинформации являются сверхвысокочастотные электромагнитные излучения, используемые в его аппаратуре, однако теоретического обоснования он дать не смог.

После экспериментальных работ В.П. Казначеева и Цзян Каньчжена, которые не могли быть объяснены в терминах традиционной генетики, возникла настоятельная необходимость в теоретическом развитии модели волнового генома, в физико-математическом и теоретико-биологическом осмыслении работы хромосомы ДНК в полевом и вещественном измерении.

Первые попытки решить эту проблему предприняли российские ученые П.П. Гаряев, А.А. Березин и А.А. Васильев, которыми были поставлены следующие задачи:

показать возможность дуалистической трактовки работы генома клетки на уровнях вещества и поля в рамках физико-математических моделей;

показать возможность обычных и «аномальных» режимов работы генома клетки с использованием фантомно-волновых образно-знаковых матриц;

* найти экспериментальные доказательства правильности предлагаемой теории.

В рамках теории, разработанной ими, получившей название волновой генетики, было выдвинуто, обосновано и экспериментально подтверждено несколько основных положений, которые значительно расширили понимание феномена жизни и процессов, происходящих в живой материи.

* Гены - не только вещественные структуры, но и волновые
матрицы, по которым, как по шаблонам, строится организм.

Взаимная передача информации между клетками, помогающая формироваться организму как целостной системе и корректировать слаженную работу всех систем организма, происходит не только химическим путем - синтезом разнообразных ферментов и других «сигнальных» веществ. П.П. Гаряев предположил, а затем экспериментально доказал, что клетки, их хромосомы, ДНК, белки передают информацию с помощью физических полей - электромагнитными и акустическими волнами и трехмерными голограммами, читаемыми лазерным хромосомным светом и излучающими этот свет, который трансформируется в радиоволны и передает наследственную информацию в пространстве организма. Геном высших организмов рассматривается как биоголографический компьютер, формирующий пространственно-временную структуру биосистем. В качестве носителей полевых матриц, по которым строится организм, выступают волновые фронты, задаваемые геноголограммами, и так называемые солитоны на ДНК - особый вид акустических и электромагнитных полей, продуцируемых генетическим аппаратом самого организма и способных к посредническим функциям по обмену стратегической регуляторной информацией между клетками, тканями и органами биосистемы.

В волновой генетике были подтверждены идеи Гурвича - Любищева - Казначеева - Цзян Каньчжена о полевом уровне гено-информации. Иными словами, дуализм совмещающего единства «волна - частица» или «вещество - поле», принятый в квантовой электродинамике, оказался применимым и в биологии, что и предсказывали в свое время АГ. Гурвич и АА. Любищев. Ген-вещество и ген-поле не исключают друг друга, но взаимно дополняют.

Живая материя состоит из неживых атомов и элементарных частиц, которые совмещают в себе фундаментальные свойства волны и частицы, но эти же свойства используются биосистемами в качестве основы для волнового энергоинформационного обмена. Иначе говоря, генетические молекулы излучают информационно-энергетическое поле, в котором закодирован весь организм, его физическое тело и душа.

* Гены - это не только то, что составляет так называемый генетический код, но и вся остальная, большая часть ДНК, которая раньше считалась бессмысленной.

Но именно эта большая часть хромосом анализируется в рамках волновой генетики как главная «интеллектуальная» структура всех клеток организма: «Некодирующие регионы ДНК - это не просто junk (мусор), а структуры, предназначенные для каких-то целей с неясным пока назначением… некодирующие после-довательности ДНК (а это 95-99% генома) являются стратегическим информационным содержанием хромосом… Эволюция биосистем создала генетические тексты и геном - биокомпьютер - биокомпьютер как квазиразумный «субъект», на своем уровне «читающий и понимающий» эти «тексты»¹. Этот компонент генома, который получил название супергеноконтинуум, т.е. сверхген, обеспечивает развитие и жизнь человека, животных, растений, а также программирует естественное умирание. Между генами и супергенами нет резкой и непреодолимой границы, они действуют как единое целое. Гены дают материальные «реплики» в виде РНК и белков, а супергены преобразуют внутренние и внешние поля, формируя из них волновые структуры, в которых кодируется информация. Генетическая общность людей, животных, растений, простейших состоит в том, что на уровне белков эти варианты практически не отличаются или слабо отличаются у всех организмов и кодируются генами, составляющими всего несколько процентов общей длины хромосомы. Но они отличаются на уровне «мусорной части» хромосом, составляющей почти всю их длину.

* Собственной информации хромосом недостаточно для развития
организма. Хромосомы по некоторому измерению обращены в физический вакуум, дающий главную часть информации для развития эмбриона. Генетический аппарат способен сам и с помощью вакуума генерировать командные волновые структуры типа голограмм, обеспечивающих развитие организма.

Значительными для более глубокого понимания жизни как космопланетарного явления стали экспериментальные данные, полученные П.П. Гаряевым, которые доказали недостаточность генома клетки для полноценного воспроизведения программы развития организма в условиях биополевой информационной изоляции. Эксперимент состоял в том, что было построено две камеры, в каждой из которых созданы все природные условия для развития головастиков из лягушачьей икры - необходимый состав воздуха и воды, температура, режим освещения, прудовой ил и т.д. Различия заключались лишь в том, что одна камера была сделана из пермалоя - материала, не пропускающего электромагнитные волны, а вторая - из обычного металла, который для волн не помеха. В каждую камеру было помещено равное количество оплодотворенной лягушачьей икры. В результате эксперимента в первой камере появились сплошь уроды, которые через несколько дней погибли, во второй камере в положенный срок вылупились и нормально развились головастики, превратившиеся потом в лягушек.