Книга Дао физики. Исследование параллелей между современной физикой и восточной философией - Фритьоф Капра

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

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

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

Глава 14. Пустота и наполненность

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

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

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

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

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

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

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

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