Прибор искажает то, что исследует. Оказывается, сам акт наблюдения изменяет наблюдаемое. Объективная реальность зависит от прибора, то есть в конечном счете от произвола наблюдателя. «С позиции современной квантовой теории измерений роль прибора заключается в „приготовлении“ некоторого состояния системы» (4). Было установлено, что если прибор предназначен для измерения волны, то электрон в эксперименте ведет себя как волна. Если используется прибор для изучения свойств частицы, то электрон в таком приборе будет уже частицей. Словом, наблюдатель превращается в конечном счете из зрителя в действующее лицо.
Все, к чему мы «прикасаемся», превращается в материю. Вероятно, самое удивительное свойство этих частиц заключается в том, что кванты проявляются как частицы, только когда мы на них смотрим. Например, когда электрон не наблюдаем, он всегда проявляет себя как волна, что подтверждается экспериментами. Физики смогли прийти к такому выводу благодаря хитроумным опытам, придуманным для обнаружения электрона без его наблюдения.
Представьте, что у вас в руке шар, который становится шаром для боулинга только при том условии, что вы на него смотрите. Если посыпать тальком дорожку и запустить такой «квантованный» шар по направлению к кеглям, то он будет оставлять прямой след только тогда, когда вы на него смотрели. Но когда вы моргали, то есть не смотрели на шар, он переставал чертить прямую линию и оставлял широкий волнистый след наподобие зигзагообразного следа, который оставляет змея на песке пустыни.
Физик Ник Герберт говорит, что иногда ему кажется, что за его спиной мир «всегда загадочен и неясен и представляет собой беспрерывно текущий квантовый суп». Но когда он оборачивается и пытается увидеть этот «суп», его взор «замораживает» содержимое «супа» и видится лишь привычная картина. Герберт считает, что мы немного похожи на легендарного Мидаса, который, согласно греческому мифу, был наделен Дионисом способностью обращать в золото все, к чему прикоснется его рука. «Человеческому постижению недоступна истинная природа „квантовой реальности“, – говорит Герберт, – поскольку все, к чему бы мы ни прикоснулись, превращается в материю» (1). И это действительно так.
В третьей главе мы познакомимся с исследованиями К. Прибрама, доказывающими уникальную способность человеческого мозга переводить поступающую к нему извне волновую информацию в предметную и развертывать ее на нашем внутреннем экране в виде образов.
Все это означает, что классический идеал объективного описания природы отошел в небытие. Человек-наблюдатель представляет собой конечное звено в цепи процессов наблюдения, и, воспринимая свойства любого объекта атомной действительности, следует обязательно учитывать взаимодействие последнего с наблюдателем. Имея дело с атомной действительностью, нельзя следовать картезианскому разделению мира и личности, наблюдателя и наблюдаемого. В атомной физике нельзя сообщить информацию о природе таким образом, чтобы самому при этом остаться в тени.
В глубь ядра
После того как квантовая теория пролила свет на мир атома, главной задачей физиков стало изучение структуры ядра, его компонентов и сил притяжения внутри ядра. В исключительно богатом мире атомных явлений ядра, заключающие в себе почти всю массу атома, исполняют роль предельно малых устойчивых центров, представляющих собой источник электрических сил и образующих основу огромного множества молекулярных структур.
К 1928 году были известны три частицы: фотон, протон и электрон. Фотон – элементарная частица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле – света); протон – стабильная элементарная частица, ядро атома водорода; электрон – элементарная частица, обладающая положительной энергией и отрицательным зарядом. Квантовая теория показала, что поразительные свойства атомов обусловлены волновой природой электронов.
Важным шагом к пониманию структуры ядра было открытие его второго компонента – нейтрона (первым является протон, который имеет положительный электрический заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона). Нейтрон не имеет электрического заряда. Протон и нейтрон считаются двумя зарядовыми состояниями одной частицы – нуклона – частицы с массой, примерно равной массе протона, в две тысячи раз превышающей массу электрона, но лишенной электрического заряда. Поскольку ядра всех химических элементов состоят из протонов и нейтронов, сила, связывающая частицы внутри ядра, представляла совершенно новое явление. Она не могла иметь электромагнитной природы, поскольку нейтроны электрически нейтральны. Физики поняли, что перед ними – новая сила природы, не существующая вне ядра.
Это так называемое сильное ядерное взаимодействие действует только на очень близком расстоянии, равном примерно двум-трем диаметрам нейтрона (4). На таком расстоянии ядерная сила притягивает нейтроны и протоны; при его сокращении она становится отталкивающей и препятствует дальнейшему их сближению. Так, ядерная сила приводит ядро в исключительно стабильное и исключительно динамическое равновесие. Сильное ядерное взаимодействие действительно сильное: оно удерживает вместе протоны и нейтроны, причем это взаимодействие, например, между двумя протонами в 108 раз мощнее, чем гравитационное взаимодействие между ними же (2).
Ядро атома в 100 тысяч раз меньше самого атома и все же содержит почти всю его массу. Это значит, что плотность вещества внутри ядра гораздо выше, чем в привычных нам формах материи. В самом деле, если бы человеческое тело обладало плотностью ядра, оно было бы величиной с булавочную головку. Однако такая высокая плотность не единственное необычное свойство ядерного вещества. Обладая, как и электроны, квантовой природой, нейтроны реагируют на ограничение в пространстве, значительно увеличивая свою скорость, а поскольку им отводится гораздо более ограниченный объем, чем электронам, их скорость очень высока – около 100 тысяч км/с.
Таким образом, ядерное вещество – эта такая форма материи, которая совершенно не похожа ни на одну из форм материи, существующих в нашем макроскопическом окружении. Это вещество ученые весьма образно сравнивают с микроскопическими каплями предельно плотной жидкости, которые бурно кипят и булькают (1). В этом случае атом представляет собой тяжелые, бурно кипящие капли ядер, а в пространстве между ними с огромной скоростью движутся отрицательно заряженные электроны, которые удерживаются силой притяжения между ними и положительно заряженными ядрами.
И хотя масса электронов составляет очень небольшой процент от общей массы атома, именно они, электроны, придают материи свойство твердости и обеспечивают необходимые связи для образования молекулярных структур, состоящих из нескольких атомов, связанных силами взаимного притяжения. Они также участвуют в химических реакциях и отвечают за химические свойства веществ. Таким образом, взаимодействие электронов с ядром обеспечивает возможность существования всех твердых тел, жидкостей и газов, а также живых организмов и биологических процессов, связанных с их жизнедеятельностью. С другой стороны, электроны обычно не участвуют в ядерных реакциях, не обладая достаточной энергией для нарушения равновесия внутри ядра.
Итак, в начале 30-х годов XX столетия в процессе изучения субмикроскопического мира наступил этап, принесший было уверенность в том, что «строительные кирпичики» материи наконец открыты. Было известно, что вся материя состоит из атомов, а атомы – из протонов, нейтронов и электронов. Эти так называемые «элементарные» частицы воспринимались как предельно малые, неделимые единицы материи, подобные атомам Демокрита.
Однако последующие достижения современной физики показали, что нужно отказаться от представлений об элементарных частицах как о мельчайших составляющих материи. Усовершенствование техники проведения экспериментов и создание новых приборов регистрации элементарных частиц (детекторов) привело к тому, что к 1935 году было известно уже не три, а шесть элементарных частиц, к 1955 году – восемнадцать, а к настоящему времени их известно более четырехсот. В такой ситуации слово «элементарный» уже неприменимо. Какая уж тут элементарность, если фотон может породить пару электрон – позитрон, при столкновении протонов и нейтронов могут рождаться пи-мезоны, пи-мезон распадается на мюон и нейтрино и т. д.? Универсальная превращаемость частиц – одно из самых общих свойств микромира.