Уровни организации материи

Ясно, что для нормального развития головастиков в первой камере им не хватало какого-то фактора, несущего недостающую часть наследственной информации, без которой организм не может быть «собран» в полном виде. А так как стенки первой камеры отсекали головастиков только от излучений, которые свободно пронизывали вторую камеру, то естественно предположить, что фильтрация или искажение естественного информационного фона вызывает уродство и гибель эмбрионов. Это означает, что коммуникации генетических структур с внешним информационным полем, безусловно, необходимы для гармоничного развития организма. Внешние (экзобиологические) полевые сигналы несут дополнительную, а может быть, и главную информацию в геноконтинуум Земли.

* Тексты ДНК и голограммы хромосомного континуума могут читаться в многомерном пространственно-временном и семантическом вариантах. Существуют волновые языки генома клеток, сходные с человеческими.

Особого внимания заслуживает в волновой генетике обоснование единства фрактальной (повторяющей самою себя в разных масштабах) структуры последовательностей ДНК и человеческой речи. То, что четыре буквы генетического алфавита (аденин, гуанин, цитозин, тимин) в ДНК-текстах образуют фрактальные структуры, было обнаружено еще в 1990 г. и не вызвало особой реакции. Однако открытие геноподобных фрактальных структур в человеческой речи явилось неожиданностью и для генетиков и для лингвистов. Стало очевидно, что принятое и уже привычное сравнение ДНК с текстами, носившее метафорический характер после открытия единства фрактальной структуры и человеческой речи, вполне оправдано.

Совместно с сотрудниками Математического института РАН группа П.П. Гаряева разработала теорию фрактального представления естественных (человеческих) и генетических языков. Практическая проверка этой теории в области «речевых» характеристик ДНК показала стратегически верную ориентацию исследований.

Так же, как и в экспериментах Цзян Каньчжена, группой П.П. Гаряева был получен эффект трансляции и введения волновой супергенетической информации от донора к акцептору. Были созданы устройства - генераторы солитонных полей, в которые можно было вводить речевые алгоритмы, например, на русском или английском языках. Такие речевые структуры превращались в солитонные модулированные поля - аналоги тех, которыми оперируют клетки в процессе волновых коммуникаций. Организм и его генетический аппарат «узнает» такие «волновые фразы» как свои собственные и поступает в соответствии с введенными человеком извне речевыми рекомендациями. Удалось, например, создавая определенные речевые, вербальные алгоритмы, восстановить радиационно поврежденные семена пшеницы и ячменя. Причем семена растений «понимали» эту речь вне зависимости от того, на каком языке она произносилась - русском, немецком или английском. Эксперименты были проведены на десятках тысяч клеток.

Для проверки эффективности стимулирующих рост волновых программ в контрольных экспериментах в геном растений через генераторы вводили бессмысленные речевые псевдокоды, которые никак не влияли на обмен веществ растений, в то время как смысловое вхождение в биополевые семантические пласты генома растений давало эффект резкого, но кратковременного ускорения роста.

Распознавание геномами растений человеческой речи (вне зависимости от языка) полностью соответствует положению лингвистической генетики о существовании праязыка генома биосистем на ранних этапах их эволюции, общего для всех организмов и сохранившегося в общей структуре генофонда Земли. Здесь видно соответствие идеям классика структурной лингвистики Н. Хомского, считавшего, что все естественные языки имеют глубинную врожденную универсальную грамматику, инвариантную для всех людей и, вероятно, для их собственных супергенетических структур.

Атомистическая концепция строения материи

Атомистическая гипотеза строения материи, выдвинутая в античности Демокритом, была возрождена в XVIII в. химиком Дж. Дальтоном, который принял атомный вес водорода за единицу и сопоставил с ним атомные веса других газов. Благодаря трудам Дж. Дальтона стали изучаться физико-химические свойства атома. В XIX в. Д.И. Менделеев построил систему химических элементов, основанную на их атомном весе.

В физику представления об атомах как о последних неделимых структурных элементах материи пришли из химии. Собственно физические исследования атома начинаются в конце XIX в., когда французским физиком А.А. Беккерелем было открыто явление радиоактивности, которое заключалось в самопроизвольном превращении атомов одних элементов в атомы других элементов. Изучение радиоактивности было продолжено французскими физиками супругами Пьером и Марией Кюри, открывшими новые радиоактивные элементы полоний и радий.

История исследования строения атома началась в 1897 г. благодаря открытию Дж. Томсоном электрона - отрицательно заряженной частицы, входящей в состав всех атомов. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а атом в целом электрически нейтрален, то было сделано предположение о наличии помимо электрона и положительно заряженной частицы. Масса электрона составила по расчетам 1/1836 массы положительно заряженной частицы - протона.

Исходя из огромной, по сравнению с электроном, массы положительно заряженной частицы, английский физик У. Томсон (лорд Кельвин) предложил в 1902 г. первую модель атома - положительный заряд распределен в достаточно большой области, а электроны вкраплены в него, как «изюм в пудинг». Эта идея была развита Дж. Томсоном. Модель атома Дж. Томсона, над которой он работал почти 15 лет, не устояла перед опытной проверкой.

В 1908 г. Э. Марсден и X. Гейгер, сотрудники Э. Резерфорда, провели опыты по прохождению альфа-частиц через тонкие пластинки из золота и других металлов и обнаружили, что почти все они проходят через пластинку, будто нет препятствия, и только

1/10 000 из них испытывает сильное отклонение. По модели Дж. Томсона это объяснить не удавалось, но Э. Резерфорд нашел выход. Он обратил внимание на то, что большая часть частиц отклоняется на малый угол, а малая - до 150°. Э. Резерфорд пришел к выводу, что они ударяются о какое-то препятствие, это препятствие представляет собой ядро атома - положительно заряженную микрочастицу, размер которой (10^-12 см) очень мал по сравнению с размерами атома (10^-8 см), но в ней почти полностью сосредоточена масса атома.

Модель атома, предложенная Э. Резерфордом в 1911 г., напоминала Солнечную систему: в центре находится атомное ядро, а вокруг него по своим орбитам движутся электроны.

Ядро имеет положительный заряд, а электроны - отрицательный. Вместо сил тяготения, действующих в Солнечной системе, в атоме действуют электрические силы. Электрический заряд ядра атома, численно равный порядковому номеру в периодической системе Менделеева, уравновешивается суммой зарядов электронов - атом электрически нейтрален.

Неразрешимое противоречие этой модели заключалось в том, что электроны, чтобы не потерять устойчивость, должны двигаться вокруг ядра. В то же время они, согласно законам электродинамики, обязательно должны излучать электромагнитную энергию. Но в таком случае электроны очень быстро потеряли бы всю свою энергию и упали на ядро.

Следующее противоречие связано с тем, что спектр излучения электрона должен быть непрерывным, так как электрон, приближаясь к ядру, менял бы свою частоту. Опыт же показывает, что атомы излучают свет только определенных частот. Именно поэтому атомные спектры называют линейчатыми. Другими словами, планетарная модель атома Резерфорда оказалась несовместимой с электродинамикой Дж.К. Максвелла.

В 1913 г. великий датский физик Н. Бор применил принцип квантования при решении вопроса о строении атома и характеристике атомных спектров.

Модель атома Н. Бора базировалась на планетарной модели Э. Резерфорда и на разработанной им самим квантовой теории строения атома. Н. Бор выдвинул гипотезу строения атома, основанную на двух постулатах, совершенно несовместимых с классической физикой:

1) в каждом атоме существует несколько стационарных состояний (говоря языком планетарной модели, несколько стационарных орбит) электронов, двигаясь по которым, электрон, может существовать, не излучая;

2) при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое атом излучает или поглощает порцию энергии.

Постулаты Бора объясняют устойчивость атомов: находящиеся в стационарных состояниях электроны без внешней на то причины не излучают электромагнитной энергии. Становится понятным, почему атомы химических элементов не испускают излучения, если их состояние не изменяется. Объясняются и линейчатые спектры атомов: каждой линии спектра соответствует переход электрона из одного состояния в другое.

Теория атома Н. Бора позволяла дать точное описание атома водорода, состоящего из одного протона и одного электрона, достаточно хорошо согласующееся с экспериментальными данными. Дальнейшее же распространение теории на многоэлектронные атомы и молекулы столкнулось с непреодолимыми трудностями. Чем подробнее теоретики пытались описать движение электронов в атоме, определить их орбиты, тем большим было расхождение теоретических результатов с экспериментальными данными. Как стало ясно в ходе развития квантовой теории, эти расхождения были связаны главным образом с волновыми свойствами электрона. Длина волны движущегося в атоме электрона равна примерно 10^-8 см, т.е. она того же порядка, что и размер атома. Движение частицы, принадлежащей какой-либо системе, можно с достаточной степенью точности описывать как механическое движение материальной точки по определенной орбите (траектории) только в том случае, если длина волны частицы пренебрежимо мала по сравнению с размерами системы. Другими словами, следует учитывать, что электрон не точка и не твердый шарик, он обладает внутренней структурой, которая может изменяться в зависимости от его состояния. При этом детали внутренней структуры электрона неизвестны.

Следовательно, точно описать структуру атома на основании представления об орбитах точечных электронов принципиально невозможно, поскольку таких орбит в действительности не существует. Вследствие своей волновой природы электроны и их заряды как бы размазаны по атому, однако не равномерно, а таким образом, что в некоторых точках усредненная по времени электронная плотность заряда больше, а в других - меньше.

Описание распределения плотности электронного заряда было дано в квантовой механике: плотность электронного заряда в определенных точках дает максимум. Кривая, связывающая точки максимальной плотности, формально называется орбитой электрона. Траектории, вычисленные в теории Н. Бора для одноэлектронного атома водорода, совпали с кривыми максимальной средней плотности заряда, что и обусловило согласованность с экспериментальными данными.

Теория Н. Бора представляет собой как бы пограничную полосу первого этапа развития современной физики. Это последнее усилие описать структуру атома на основе классической физики, дополняя ее лишь небольшим числом новых предположений. Введенные Бором постулаты ясно показали, что классическая физика не в состоянии объяснить даже самые простые опыты, связанные со структурой атома. Постулаты, чужеродные классической физике, нарушили ее цельность, но позволили объяснить лишь небольшой круг экспериментальных данных.

Создавалось впечатление, что постулаты Н. Бора отражают какие-то новые, неизвестные свойства материи, но лишь частично. Ответы на эти вопросы были получены в результате развития квантовой механики. Выяснилось, что атомную модель Н. Бора не следует понимать буквально, как это было вначале. Процессы в атоме в принципе нельзя наглядно представить в виде механических моделей по аналогии с событиями в макромире. Даже понятия пространства и времени в существующей в макромире форме оказались неподходящими для описания микрофизических явлений. Атом физиков-теоретиков все больше и больше становился абстрактно-ненаблюдаемой суммой уравнений.

Элементарные частицы и квартовая модель атома

Дальнейшее развитие идей атомизма было связано с исследованием элементарных частиц. Частицы, входящие в состав прежде «неделимого» атома, называют элементарными. К ним относят и те частицы, которые получают в условиях эксперимента на мощных ускорителях. В настоящее время открыто более 350 микрочастиц.

Термин «элементарная частица» первоначально означал простейшие, далее ни на что не разложимые частицы, лежащие в основе любых материальных образований. Позднее физики осознали всю условность термина «элементарный» применительно к микрообъектам. Сейчас уже не подлежит сомнению, что частицы имеют ту или иную структуру, но тем не менее исторически сложившееся название продолжает существовать.

Основными характеристиками элементарных частиц являются масса, заряд, среднее время жизни, спин и квантовые числа.

Массу покоя элементарных частиц определяют по отношению к массе покоя электрона. Существуют элементарные частицы, не имеющие массы покоя, - фотоны. Остальные частицы по этому признаку делятся на: лептоны - легкие частицы (электрон и нейтрино); мезоны - средние частицы с массой в пределах от одной до тысячи масс электрона; барионы - тяжелые частицы, чья масса превышает тысячу масс электрона и в состав которых входят протоны, нейтроны, гипероны и многие резонансы.

Электрический заряд является другой важнейшей характеристикой элементарных частиц. Все известные частицы обладают положительным, отрицательным либо нулевым зарядом. Каждой частице, кроме фотона и двух мезонов, соответствуют античастицы с противоположным зарядом. В 1967 г. американский физик М. Гелл-Манн высказал гипотезу о существовании кварков - частиц с дробным электрическим зарядом.

По времени жизни частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильных частиц пять: фотон, две разновидности нейтрино, электрон и протон. Именно стабильные частицы играют важнейшую роль в структуре макротел. Все остальные частицы нестабильны, они существуют около 10^-10 - 10^-24, после чего распадаются.

Помимо заряда, массы и времени жизни, элементарные частицы описываются также понятиями, не имеющими аналогов в классической физике: понятием «спин», или собственный момент количества движения микрочастицы, и понятием «квантовые числа», выражающим состояние элементарных частиц.

Согласно современным представлениям, все элементарные частицы делятся на два класса: фермионы (названные в честь Э. Ферми) и бозоны (названные в честь Ш. Бозе).

К фермионам относятся кварки и лептоны, к бозонам - кванты полей (фотоны, векторные бозоны, глюоны, гравитино и гравитоны). Эти частицы считаются истинно элементарными, т.е. далее неразложимыми. Остальные частицы классифицируются как условно элементарные, т.е. составные частицы, образованные из кварков и соответствующих квантов полей. Фермионы составляют вещество, бозоны переносят взаимодействие.

Элементарные частицы участвуют во всех видах известных взаимодействий. Различают четыре вида фундаментальных взаимодействий в природе: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

Сильное взаимодействие происходит на уровне атомных ядер и представляет собой взаимное притяжение их составных частей. Оно действует на расстоянии порядка 10^-13 см. При определенных условиях сильное взаимодействие очень прочно связывает частицы, в результате чего образуются материальные системы с высокой энергией связи - атомные ядра. Именно по этой причине ядра атомов являются весьма устойчивыми, их трудно разрушить.

Электромагнитное взаимодействие примерно в тысячу раз слабее сильного, но значительно более дальнодействующее. Взаимодействие такого типа свойственно электрически заряженным частицам. Носителем электромагнитного взаимодействия является не имеющий заряда фотон - квант электромагнитного поля. В процессе электромагнитного взаимодействия электроны и атомные ядра соединяются в атомы, атомы - в молекулы. В определенном смысле это взаимодействие является основным в химии и биологии.

Слабое взаимодействие возможно между различными частицами. Оно простирается на расстояние порядка 10^-15 - 10^-22см и связано главным образом с распадом частиц, например с происходящими в атомном ядре превращениями нейтрона в протон, электрон и антинейтрино. В соответствии с современным уровнем знаний большинство частиц нестабильны именно благодаря слабому взаимодействию.

Гравитационное взаимодействие - самое слабое, не учитываемое в теории элементарных частиц, поскольку на характерных для них расстояниях порядка 10^-13 см оно дает чрезвычайно малые эффекты. Однако на ультрамалых расстояниях (порядка 10^-33 см) и при ультрабольших энергиях гравитация вновь приобретает существенное значение. Здесь начинают проявляться необычные свойства физического вакуума. Сверхтяжелые виртуальные частицы создают вокруг себя заметное гравитационное поле, которое начинает искажать геометрию пространства. В космических масштабах гравитационное взаимодействие имеет решающее значение. Радиус его действия не ограничен.

От силы взаимодействия зависит время, в течение которого совершается превращение элементарных частиц. Ядерные реакции, связанные с сильными взаимодействиями, происходят в течение 10^-24-10^-23 с. Это приблизительно тот кратчайший интервал времени, за который частица, ускоренная до высоких энергий, до скорости, близкой скорости света, проходит через элементарную частицу размером порядка 10^-13см. Изменения, обусловленные электромагнитными взаимодействиями, осуществляются в течение 10^-19-10^-21 с, а слабыми (например, распад элементарных частиц) - в основном 10^-10 с.

По времени различных превращений можно судить о силе связанных с ними взаимодействий.

Все четыре взаимодействия необходимы и достаточны для построения разнообразного мира.

Без сильных взаимодействий не существовали бы атомные ядра, а звезды и Солнце не могли бы генерировать за счет ядерной энергии теплоту и свет.

Без электромагнитных взаимодействий не было бы ни атомов, ни молекул, ни макроскопических объектов, а также тепла и света.

Без слабых взаимодействий не были бы возможны ядерные реакции в недрах Солнца и звезд, не происходили бы вспышки сверхновых звезд и необходимые для жизни тяжелые элементы не могли бы распространиться во Вселенной.

Без гравитационного взаимодействия не только не было бы галактик, звезд, планет, но и вся Вселенная не могла бы эволюционировать, поскольку гравитация является объединяющим фактором, обеспечивающим единство Вселенной как целого и ее эволюцию.

Современная физика пришла к выводу, что все четыре фундаментальных взаимодействия, необходимые для создания из элементарных частиц сложного и разнообразного материального мира, можно получить из одного фундаментального взаимодействия - суперсилы. Наиболее ярким достижением стало доказательство того, что при очень высоких температурах (или энергиях) все четыре взаимодействия объединяются в одно.

При энергии в 100 ГэВ (100 млрд электрон-вольт) объединяются электромагнитное и слабое взаимодействия. Такая температура соответствует температуре Вселенной через 10^-10с после Большого взрыва. При энергии 10¹⁵ ГэВ к ним присоединяется сильное взаимодействие, а при энергии 10¹⁹ ГэВ происходит объединение всех четырех взаимодействий.

Это предположение носит чисто теоретический характер, поскольку экспериментальным путем его проверить невозможно. Косвенно эти идеи подтверждаются астрофизическими данными, которые можно рассматривать как экспериментальный материал, накопленный Вселенной.

Достижения в области исследования элементарных частиц способствовали дальнейшему развитию концепции атомизма. В настоящее время считают, что среди множества элементарных частиц можно выделить 12 фундаментальных частиц и столько же античастиц. Шесть частиц - это кварки с экзотическими названиями: «верхний», «нижний», «очарованный», «странный», «истинный», «прелестный». Остальные шесть - лептоны: электрон, мюон, тау-частица и соответствующие им нейтрино (электронное, мюонное, тау-нейтрино).

Эти 12 частиц группируют в три поколения, каждое из которых состоит из четырех членов.

В первом поколении - «верхний» и «нижний» кварки, электрон и электронное нейтрино.

Во втором поколении - «очарованный» и «странный» кварки, мюон и мюонное нейтрино.

В третьем поколении - «истинный» и «прелестный» кварки и тау-частицы со своим нейтрино.

Обычное вещество состоит из частиц первого поколения

Предполагается, что остальные поколения можно создать искусственно на ускорителях заряженных частиц.

На основе кварковой модели физики разработали простое и изящное решение проблемы строения атомов.

Каждый атом состоит из тяжелого ядра (сильно связанных глюонными полями протонов и нейтронов) и электронной оболочки. Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в периодической таблице химических элементов Д.И. Менделеева. Протон имеет положительный электрический заряд, массу в 1836 раз больше массы электрона, размеры порядка 10^-13 см. Электрический заряд нейтрона равен нулю. Протон, согласно кварковой гипотезе, состоит из двух «верхних» кварков и одного «нижнего», а нейтрон - из одного «верхнего» и двух «нижних» кварков. Их нельзя представить в виде твердого шарика, скорее, они напоминают облако с размытыми границами, состоящее из рождающихся и исчезающих виртуальных частиц.

Остаются еще вопросы о происхождении кварков и лептонов, о том, являются ли они основными «кирпичиками» природы и насколько фундаментальны. Ответы на эти вопросы ищут в современной космологии. Большое значение имеет исследование рождения элементарных частиц из вакуума, построение моделей первичного ядерного синтеза, породивших те или иные частицы в момент рождения Вселенной.

Физический вакуум

Вакуум в переводе с латинского (vacuum) означает пустоту.

Еще в античности был поставлен вопрос о том, пусто мировое пространство или заполнено некой материальной средой, чем-то, отличающимся от пустоты.

Согласно философской концепции великого древнегреческого философа Демокрита, все вещества состоят из частиц, между которыми находится пустота. Но согласно философской концепции другого не менее знаменитого древнегреческого философа Аристотеля, в мире нет ни малейшего места, где не было бы «ничего». Эта среда, пронизывающая все пространства Вселенной, была названа эфиром.

Понятие «эфира» вошло в европейскую науку. Великий Ньютон понимал, что закон всемирного тяготения будет иметь смысл, если пространство обладает физической реальностью, т.е. представляет собой среду, обладающую физическими свойствами. Он писал: «Мысль о том… чтобы одно тело могло воздействовать на другое через пустоту на расстоянии, без участия чего-то такого, что переносило бы действие и силу от одного тела к другому, - представляется мне нелепой»¹.

В классической физике не было экспериментальных данных, которые подтверждали бы существование эфира. Но не было и данных, которые бы опровергали это. Авторитет Ньютона, способствовал тому, что эфир стал рассматриваться в качестве важнейшего понятия физики. Под понятие «эфир» стали подводить все, что вызывалось гравитационными и электромагнитными силами. Но поскольку другие фундаментальные взаимодействия до возникновения атомной физики практически не изучались, то с помощью эфира брались объяснять любые явления и любой процесс.

Эфир должен был обеспечивать действие закона всемирного тяготения; эфир оказывался средой, по которой идут световые волны; эфир нес ответственность за все проявления электромагнитных сил. Развитие физики заставляло наделять эфир все новыми и новыми противоречивыми свойствами.

Опыт Майкельсона, величайший из всех «отрицательных» опытов в истории науки, привел к выводу, что гипотеза неподвижного мирового эфира, на которую классическая физика возлагала большие надежды, неверна. Рассмотрев все предположения относительно эфира со времен Ньютона и до начала XX в., А. Эйнштейн в труде «Эволюция физики» подвел итоги: «Все наши попытки сделать эфир реальным провалились. Он не обнаружил ни своего механического строения, ни абсолютного движения. От всех свойств эфира не осталось ничего… Все попытки открыть свойства эфира привели к трудностям и противоречиям. После стольких неудач наступает момент, когда следует совершенно забыть об эфире и постараться никогда больше не упоминать о нем»¹.

В специальной теории относительности произошел отказ от понятия «эфира».

В общей теории относительности в качестве материальной среды, взаимодействующей с телами, обладающими гравитационными массами, рассматривалось пространство. Сам творец общей теории относительности полагал, что некая вездесущая материальная среда все-таки должна существовать и обладать определенными свойствами. После публикации работ по общей теории относительности Эйнштейн неоднократно возвращался к понятию «эфира» и считал, что «мы не можем в теоретической физике обойтись без эфира, то есть континуума, наделенного физическими свойствами»².

Однако понятие «эфир» уже принадлежало истории науки, возврата к нему не было, а «континуум, наделенный физическими свойствами» был назван физическим вакуумом.

В современной физике считается, что роль фундаментальной материальной основы мира выполняет физический вакуум, который представляет собой универсальную среду, пронизывающую все пространство. Физический вакуум - это такая непрерывная среда, в которой нет ни частиц вещества, ни поля и вместе с тем он является физическим объектом, а не лишенным всяких свойств «ничто». Непосредственно физический вакуум не наблюдается, в экспериментах наблюдается лишь проявление его свойств.

Принципиальное значение для решения проблем вакуума имеют работы П. Дирака. До их появления считалось, что вакуум есть чистое «ничто», которое каким бы преобразованиям ни подвергать, измениться не способно. Теория Дирака открыла путь к преобразованиям вакуума, в которых прежнее «ничто» обращалось бы во множество пар «частица - античастица».

Вакуум у Дирака представляет собой море электронов с отрицательной энергией как однородный фон, не влияющий на прохождение в нем электромагнитных процессов. Мы не наблюдаем электронов с отрицательной энергией именно потому, что они образуют сплошной невидимый фон, на котором происходят все мировые события. Наблюдаемыми могут быть только изменения состояния вакуума, его «возмущения».

Когда в море электронов попадает богатый энергией световой квант - фотон, то он вызывает возмущение и электрон с отрицательной энергией может перескочить в состояние с положительной энергией, т.е. будет наблюдаться как свободный электрон. Тогда в море отрицательных электронов образуется «дырка» и родится пара: электрон + дырка.

Первоначально предполагалось, что дырками в дираковском вакууме являются протоны, единственные известные в то время элементарные частицы с противоположным электрону зарядом. Однако этой гипотезе не суждено было выжить: в эксперименте аннигиляцию электрона с протоном никто никогда не наблюдал.

Вопрос о реальном существовании и физическом смысле дырок был решен в 1932 г. американским физиком К.А. Андерсеном, занимавшимся фотографированием треков приходящих из космоса частиц в магнитном поле. Он обнаружил в космических лучах след неизвестной ранее частицы, по всем параметрам тождественной электрону, но имеющей заряд противоположного знака. Эта частица была названа позитроном. При сближении с электроном позитрон аннигилирует с ним на два фотона высокой энергии (гамма-кванты), необходимость возникновения которых обусловлена законами сохранения энергии и импульса:

Впоследствии оказалось, что почти все элементарные частицы (даже не имеющие электрических зарядов) имеют своих «зеркальных» двойников - античастицы, способные аннигилировать с ними. Исключение составляют лишь немногие истинно нейтральные частицы, например фотоны, которые тождественны своим античастицам.

Огромная заслуга П. Дирака заключалась в том, что он разработал релятивистскую теорию движения электрона, предсказавшую позитрон, аннигиляцию и рождение из вакуума электронно-позитронных пар. Стало ясно, что вакуум обладает сложной структурой, из которой могут рождаться пары: частица + античастица. Эксперименты на ускорителях подтвердили это предположение.

Одной из особенностей вакуума является наличие в нем полей с энергией, равной нулю, и без реальных частиц. Возникает вопрос: как может существовать электромагнитное поле без фотонов, электронно-позитронное поле без электронов и позитронов и т.д.

Для объяснения нулевых колебаний полей в вакууме было введено понятие виртуальной (возможной) частицы - частицы с очень малым сроком жизни порядка 10^-21 - 10^-24 с. Это и объясняет, почему в вакууме постоянно рождаются и исчезают частицы - кванты соответствующих полей. Отдельные виртуальные частицы нельзя обнаружить в принципе, но их суммарное воздействие на обычные микрочастицы обнаруживается экспериментально. Физики считают, что абсолютно все реакции, все взаимодействия между реальными элементарными частицами происходят при непременном участии вакуумного виртуального фона, на который элементарные частицы тоже влияют. Обычные частицы порождают виртуальные частицы. Электроны, например, постоянно испускают и тут же поглощают виртуальные фотоны.

Дальнейшие исследования квантовой физики были посвящены изучению возможности появления из вакуума реальных частиц, теоретическое обоснование которой было дано Э. Шредингером в 1939 г.

В настоящее время концепция физического вакуума, наиболее полно разработанная в трудах академика РАЕН Г.И. Шипова, является дискуссионной: имеются как сторонники, так и противники его теории.

В 1998 г. Г.И. Шипов разработал новые фундаментальные уравнения, описывающие структуру физического вакуума. Эти уравнения представляют собой систему нелинейных дифференциальных уравнений первого порядка, в которую входят геометризированные уравнения Гейзенберга, геометризированные уравнения Эйнштейна и геометризированные уравнения Янга - Милса. Пространство - время в теории Г.И. Шипова не только искривлено, как в теории Энштейна, но и закручено, как в геометрии Римана - Картана. Французский математик Эли Картон первым высказал мысль о том, что в природе должны существовать поля, порождающиеся вращением. Эти поля получили названия полей кручения. Для учета кручения пространства Г.И. Шиповым было введено в геометризированные уравнения множество угловых координат, что позволило использовать в теории физического вакуума угловую метрику, определяющую квадрат бесконечно малого поворота четырехмерной системы отсчета.

Добавление вращательных координат, при помощи которых описывается поле кручения, привело к распространению принципа относительности на физические поля: все физические поля, входящие в уравнения вакуума, имеют относительный характер.

Уравнения вакуума после соответствующих упрощений приводят к уравнениям и принципам квантовой теории. Полученная таким образом квантовая теория оказывается детерминированной, хотя вероятностная трактовка поведения квантовых объектов остается неизбежной. Частицы представляют собой предельный случай чисто полевого образования при стремлении массы (или заряда) этого образования к постоянной величине. В данном предельном случае происходит возникновение корпускулярно-волнового дуализма. Поскольку не учитывается относительный характер физических полей, связанный с вращением, то квантовая теория не является полной и тем самым подтверждаются предположения А. Эйнштейна о том, что «более совершенная квантовая теория может быть найдена на пути расширения принципа относительности»².

Вакуумные уравнения Шилова описывают искривленное и закрученное пространство - время, истолковываемое как вакуумные возбуждения, находящиеся в виртуальном состоянии.

В основном состоянии абсолютный вакуум имеет нулевые средние значения момента импульса и других физических характеристик и в невозмущенном состоянии наблюдаем. Разные состояния вакуума возникают при его флуктуациях.

Если источником возмущения является заряд q, то его состояние проявляется как электромагнитное поле.

Если источником возмущения является масса т, то состояние вакуума характеризуется как гравитационное поле, что впервые было высказано А.Д. Сахаровым.

Если источником возмущения является спин, то состояние вакуума интерпретируется как спиновое поле, или торсионное поле (поле кручения).

Исходя из того что физический вакуум - это динамическая система, обладающая интенсивными флуктуациями, физики полагают, что вакуум является источником материи и энергии как уже реализованных во Вселенной, так и находящихся в скрытом состоянии. По словам академика Г.И. Наана, «вакуум есть все, и все есть вакуум».

3. Мегамир: современные астрофизические и космологические концепции

Мегамир, или космос, современная наука рассматривает как взаимодействующую и развивающуюся систему всех небесных тел. Мегамир имеет системную организацию в форме планет и планетных систем, возникающих вокруг звезд и звездных систем - галактик.

Все существующие галактики входят в систему самого высокого порядка - Метагалактику. Размеры Метагалактики очень велики: радиус космологического горизонта составляет 15-20 млрд световых лет.

Понятия «Вселенная» и «Метагалактика» - очень близкие понятия: они характеризуют один и тот же объект, но в разных аспектах. Понятие «Вселенная» обозначает весь существующий материальный мир; понятие «Метагалактика» - тот же мир, но с точки зрения его структуры - как упорядоченную систему галактик.

Строение и эволюция Вселенной изучаются космологией. Космология как раздел естествознания находится на своеобразном стыке науки, религии и философии. В основе космологических моделей Вселенной лежат определенные мировоззренческие предпосылки, а сами эти модели имеют большое мировоззренческое значение.

Современные космологические модели Вселенной

Как указывалось в предыдущей главе, в классической науке существовала так называемая теория стационарного состояния Вселенной, согласно которой Вселенная всегда была почти такой же, как сейчас. Наука XIX в. рассматривала атомы как вечные простейшие элементы материи. Источник энергии звезд был неизвестен, поэтому нельзя было судить об их времени жизни. Когда они погаснут, Вселенная станет темной, но по-прежнему будет стационарной. Холодные звезды продолжали бы хаотическое и вечное блуждание в пространстве, а планеты порождали бы свой неизменный бег по рискованным орбитам. Астрономия была статичной: изучались движения планет и комет, описывались звезды, создавались их классификации, что было, конечно, очень важно. Но вопрос об эволюции Вселенной не ставился.

Классическая ньютоновская космология явно или неявно принимала следующие постулаты:

Вселенная - это все существующее, «мир в целом». Космология познает мир таким, каким он существует сам по себе, безотносительно к условиям познания.

Пространство и время Вселенной абсолютны, они не зависят от материальных объектов и процессов.

Пространство и время метрически бесконечны.

Пространство и время однородны и изотропны.

Вселенная стационарна, не претерпевает эволюции. Изменяться могут конкретные космические системы, но не мир в целом.

В ньютоновской космологии возникали два парадокса, связанные с постулатом бесконечности Вселенной.

Первый парадокс получил название, гравитационного. Суть его заключается в том, что если Вселенная бесконечна и в ней существует бесконечное количество небесных тел, то сила тяготения будет бесконечно большая, и Вселенная должна сколлапсировать, а не существовать вечно.

Второй парадокс называется фотометрическим: если существует бесконечное количество небесных тел, то должна быть бесконечная светимость неба, что не наблюдается.

Эти парадоксы, не разрешимые в рамках ньютоновской космологии, разрешает современная космология, в границах которой было введено представление об эволюционирующей Вселенной.

Современная релятивистская космология строит модели Вселенной, отталкиваясь от основного уравнения тяготения, введенного А. Эйнштейном в общей теории относительности (ОТО).

Основное уравнение ОТО связывает геометрию пространства (точнее, метрический тензор) с плотностью и распределением материи в пространстве.

Впервые в науке Вселенная предстала как физический объект. В теории фигурируют ее параметры: масса, плотность, размер, температура.

Уравнение тяготения Эйнштейна имеет не одно, а множество решений, чем и обусловлено наличие многих космологических моделей Вселенной. Первая модель была разработана А. Эйнштейном в 1917 г. Он отбросил постулаты ньютоновской космологии об абсолютности и бесконечности пространства. В соответствии с космологической моделью Вселенной А. Эйнштейна мировое пространство однородно и изотроцно, материя в среднем распределена в ней равномерно, гравитационное притяжение масс компенсируется универсальным космологическим отталкиванием. Модель А. Эйнштейна носит стационарный характер, поскольку метрика пространства рассматривается как независимая от времени. Время существования Вселенной бесконечно, т.е. не имеет ни начала, ни конца, а пространство безгранично, но конечно.

Вселенная в космологической модели А. Эйнштейна стационарна, бесконечна во времени и безгранична в пространстве.

Эта модель казалась в то время вполне удовлетворительной, поскольку она согласовывалась со всеми известными фактами. Но новые идеи, выдвинутые А. Эйнштейном, стимулировали дальнейшее исследование, и вскоре подход к проблеме решительно изменился.

В том же 1917 г. голландский астроном В. де Ситтер предложил другую модель, представляющую собой также решение уравнений тяготения. Это решение имело то свойство, что оно существовало бы даже в случае «пустой» Вселенной, свободной от материи. Если же в такой Вселенной появлялись массы, то решение переставало быть стационарным: возникало некоторого рода космическое отталкивание между массами, стремящееся удалить их друг от друга. Тенденция к расширению, по В. де Ситтеру, становилась заметной лишь на очень больших расстояниях.

В 1922 г. русский математик и геофизик А.А. Фридман отбросил постулат классической космологии о стационарности Вселенной и получил решение уравнений Эйнштейна, описывающее Вселенную с «расширяющимся» пространством.

Решение уравнений А.А. Фридмана допускает три возможности. Если средняя плотность вещества и излучения во Вселенной равна некоторой критической величине, мировое пространство оказывается евклидовым и Вселенная неограниченно расширяется от первоначального точечного состояния. Если плотность меньше критической, пространство обладает геометрией Лобачевского и также неограниченно расширяется. И наконец, если плотность больше критической, пространство Вселенной оказывается римановым, расширение на некотором этапе сменяется сжатием, которое продолжается вплоть до первоначального точечного состояния.

Поскольку средняя плотность вещества во Вселенной неизвестна, то сегодня мы не знаем, в каком из этих пространств Вселенной мы живем.

В 1927 г. бельгийский аббат и ученый Ж. Лвметр связал «расширение» пространства с данными астрономических наблюдений. Леметр ввел понятие «начало Вселенной» как сингулярности (т.е. сверхплотного состояния) и рождения Вселенной как Большого взрыва.

В 1929 г. американский астроном Э.П. Хаббл обнаружил существование странной зависимости между расстоянием и скоростью галактик: все галактики движутся от нас, причем со скоростью, которая возрастает пропорционально расстоянию, - система галактик расширяется.

Расширение Вселенной долгое время считалось научно установленным фактом, однако однозначно решить вопрос в пользу той или иной модели в настоящее время не представляется возможным.

Проблема происхождения и эволюции Вселенной

Как бы ни решался вопрос о многообразии космологических моделей, очевидно, что наша Вселенная эволюционирует. Согласно теоретическим расчетам Ж. Леметра, радиус Вселенной в первоначальном состоянии был равен 10^-12 см, что близко по размерам к радиусу электрона, а ее плотность составляла 10⁹⁶ г/см³. В сингулярном состоянии Вселенная представляла собой микрообъект ничтожно малых размеров.

От первоначального сингулярного состояния Вселенная перешла к расширению в результате Большого взрыва. Начиная с конца 40-х гг. прошлого века все большее внимание в космологии привлекает физика процессов на разных этапах космологического расширения. Ученик А.А. Фридмана Г.А. Гамов разработал модель горячей Вселенной, рассмотрев ядерные реакции, протекавшие в самом начале расширения Вселенной, и назвал ее «космологией Большого взрыва».

Ретроспективные расчеты определяют возраст Вселенной в 13-15 млрд. лет. Г.А. Гамов предположил, что температура вещества была велика и падала с расширением Вселенной. Его расчеты показали, что Вселенная в своей эволюции проходит определенные этапы, в ходе которых происходит образование химических элементов и структур. В современной космологии для наглядности начальную стадию эволюции Вселенной делят на эры.

Эра адронов (тяжелых частиц, вступающих в сильные взаимодействия). Продолжительность эры 0,0001 с, температура 10¹² градусов по Кельвину, плотность 10¹⁴см³. В конце эры происходит аннигиляция частиц и античастиц, но остается некоторое количество протонов, гиперонов, мезонов.

Эра лептонов (легких частиц, вступающих в электромагнитное взаимодействие). Продолжительность эры 10 с, температура 10¹⁰ градусов по Кельвину, плотность 10⁴/см³. Основную роль играют легкие частицы, принимающие участие в реакциях между протонами и нейтронами.

Фотонная эра. Продолжительность 1 млн. лет. Основная доля массы - энергии Вселенной - приходится на фотоны. К концу эры температура падает с 10¹⁰ до 3000 градусов по Кельвину, плотность - от 10⁴ г/см³ до 10^-21 г/см³. Главную роль играет излучение, которое в конце эры отделяется от вещества.

Звездная эра наступает через 1 млн. лет после зарождения Вселенной. В звездную эру начинается процесс образования протозвезд и протогалактик.

Затем разворачивается грандиозная картина образования структуры Метагалактики.

В современной космологии наряду с гипотезой Большого взрыва обосновывается и так называемая инфляционная модель Вселенной, в которой рассматривается идея творения Вселенной. Эта идея имеет очень сложное обоснование и связана с квантовой космологией. В данной модели описывается эволюция Вселенной начиная с момента 10^-45 с после начала расширения.

В соответствии с инфляционной гипотезой космическая эволюция в ранней Вселенной проходит ряд этапов.

Начало Вселенной определяется физиками-теоретиками как состояние квантовой супергравитации с радиусом Вселенной в 10^-50 см (для сравнения: размер атома определяется как 10^-8 см, а размер атомного ядра 10^-13 см). Основные события в ранней Вселенной разыгрывались за ничтожно малый промежуток времени от 10^-45 с до 10^-30 с.

Стадия инфляции. В результате квантового скачка Вселенная перешла в состояние возбужденного вакуума и в отсутствие в ней вещества и излучения интенсивно расширялась по экспоненциальному закону. В этот период создавалось само пространство и время Вселенной. За период инфляционной стадии продолжительностью 10^-34 с Вселенная раздулась от невообразимо малых квантовых размеров 10^-33 см до невообразимо больших 10^{1 000 000} см, что на много порядков превосходит размер наблюдаемой Вселенной - 10²⁸ см. Весь этот первоначальный период во Вселенной не было ни вещества, ни излучения.

Переход от инфляционной стадии к фотонной. Состояние ложного вакуума распалось, высвободившаяся энергия пошла на рождение тяжелых частиц и античастиц, которые, проаннигилировав, дали мощную вспышку излучения (света), осветившего космос.

Этап отделения вещества от излучения: оставшееся после аннигиляции вещество стало прозрачным для излучения, контакт между веществом и излучением пропал. Отделившееся от вещества излучение и составляет современный реликтовый фон, теоретически предсказанный Г.А. Гамовым и экспериментально обнаруженный в 1965 г.

В дальнейшем развитие Вселенной шло в направлении от максимально простого однородного состояния к созданию все более сложных структур - атомов (первоначально атомов водорода), галактик, звезд, планет, синтезу тяжелых элементов в недрах звезд, в том числе и необходимых для создания жизни, возникновению жизни и как венца творения - человека.

Различие между этапами эволюции Вселенной в инфляционной модели и модели Большого взрыва касается только первоначального этапа порядка 10^-30 с, далее между этими моделями принципиальных расхождений в понимании этапов космической эволюции нет. Различия в объяснении механизмов космической эволюции связаны с расхождением мировоззренческих установок. Уже с самого начала появления идеи расширяющейся и эволюционирующей Вселенной вокруг нее началась борьба.

Первой стала проблема начала и конца времени существования Вселенной, признание которой противоречило материалистическим утверждениям о вечности времени и бесконечности пространства, несотворимости и неуничтожимости материи.

Каковы же естественнонаучные обоснования начала и конца времени существования Вселенной?

Таким обоснованием является доказанная в 1965 г. американскими физиками-теоретиками Пенроузом и С. Хокингом теорема, согласно которой в любой модели Вселенной с расширением обязательно должна быть сингулярность - обрыв линий времени в прошлом, что можно понимать как начало времени. Это же верно и для ситуации, когда расширение сменится на сжатие - тогда возникнет обрыв линий времени в будущем - конец времени. Причем точка начала сжатия интерпретируется физиком Ф. Типлером как конец времени - Великий Сток, куда стекаются не только галактики, но и сами «события» всего прошлого Вселенной.

Вторая проблема связана с творением мира из ничего. Материалисты отвергали возможность творения, поскольку вакуум - это не ничего, а вид материи. Да, это так, вакуум представляет собой особый вид материи. Но дело в том, что у А.А. Фридмана математически момент начала расширения пространства выводится не со сверхмалым, а с нулевым объемом. В своей популярной книге «Мир как пространство и время», изданной в 1923 г., он говорит о возможности «сотворения мира из ничего».

В теории физического вакуума Г.И. Шилова высшим уровнем реальности выступает геометрическое пространство - Абсолютное Ничто. Это положение его теории перекликается с утверждениями английского математика В. Клиффорда о том, что в мире нет ничего, кроме пространства с его кручением и кривизной, а материя представляет собой сгустки пространства, своеобразные холмы кривизны на фоне плоского пространства. Идеи В. Клиффорда использовал и А. Эйнштейн, который в общей теории относительности впервые показал общую глубокую взаимосвязь абстрактного геометрического понятия кривизны пространства с физическими проблемами гравитации.

Из абсолютного Ничто, пустого геометрического пространства в результате его кручения образуются пространственно-временные вихри правого и левого вращений, переносящие информацию. Эти вихри можно трактовать как информационное поле, пронизывающее пространство. Уравнения, описывающие информационное поле, нелинейны, поэтому информационные поля могут обладать сложной внутренней структурой, что позволяет им быть носителями значительных объемов информации.

Первичные поля кручения (информационные поля) порождают физический вакуум, который является носителем всех остальных физических полей - электромагнитных, гравитационных, торсионных. В условиях информационно-энергетического возбуждения вакуум порождает вещественные микрочастицы.

Попытку разрешить одну из основных проблем мироздания - возникновения всего из ничего - предприняли в 80-х гг. XX в. американский физик А. Гут и советский физик А. Линде. Энергию Вселенной, которая сохраняется, разделили на гравитационную и негравитационную части, имеющие разные знаки. И тогда полная энергия Вселенной будет равна нулю. Физики считают, что если предсказываемое несохранение барионного числа подтвердится, то тогда ни один из законов сохранения не будет препятствовать рождению Вселенной из ничего. Пока же эту модель можно рассчитывать лишь теоретически, а вопрос остается открытым.

Самая большая трудность для ученых возникает при объяснении причин космической эволюции. Если отбросить частности, то можно выделить две основные концепции, объясняющие эволюцию Вселенной: концепцию самоорганизации и концепцию креационизма.

Для концепции самоорганизации материальная Вселенная является единственной реальностью, и никакой другой реальности помимо нее не существует. Эволюция Вселенной описывается в терминах самоорганизации: идет самопроизвольное упорядочивание систем в направлении становления все более сложных структур. Динамичный хаос порождает порядок. Вопрос о цели космической эволюции в рамках концепции самоорганизации ставиться не может.