10. Что значит быть материей?

Тут нам понадобятся некоторые сведения из физики. Знание фундаментальной природы материи можно получить только там. Хорошо известно и давно доказано, что среда, именуемая материей и образующая, в частности, наше собственное тело, состоит из молекул. Типичный размер этих молекул составляет 10 в -9 (степени) метра. Молекулы сложены из атомов, которые примерно в десять раз меньше: 10 в -10 метра. Атом состоит из ядра, вокруг которого вращается от одного до нескольких десятков электронов. Скорость вращения электрона составляет 2000 км в секунду2. За одну миллионную долю секунды он успевает совершить порядка 30 миллиардов оборотов. Ядро примерно в десять тысяч раз меньше атома ( его диаметр 10 в -14 метра ) и характеризуется весьма сложным строением. О нём мы скажем чуть ниже, после того как завершим разговор об электронах.

Эти частицы интересны нам тем, что являются типичным примером материи. Их свойства передают свойства материи вообще. Электроны обладают двойственной природой: они сочетают в себе атрибуты как волны, так и частицы. В зависимости от характера эксперимента на первый план будет выходить либо то, либо другое свойство. Электрон есть некая дискретная, единичная порция энергии, квант поля, как принято говорить в физике. Составных частей электроны не имеют. Это делает их элементарными или, что то же самое, фундаментальными. Физика трактует электроны как единичные порции энергии, понимая под энергией способность совершить работу. Это легко показать: движение электронов в цепи ведёт к возбуждению электрического тока, с помощью которого можно вращать вал двигателя. Электроны являются энергией и вместе с тем служат примером материи. Это позволяет поставить между понятиями "материя" и "энергия" знак равенства, что как раз и является современной физической интерпретацией.

Самое примечательное относительно электронов состоит в том, что они не имеют размеров. Эти частицы бесконечно малы. Никаким конкретным объёмом они не обладают, и с этой точки зрения неопределимы. Естественно, измерить электроны не удаётся, но не оттого, что их размеры лежат ниже границы возможного измерения, а оттого что они являются бесконечно малой величиной. Такого рода величина ведёт себя подобно математической ассимптоте: она неудержимо стремится к нулю, но никогда его не достигает. В практическом плане размеры электрона неотличимы от нуля, но строго нулю они не равняются, - поэтому, мы говорим о величине бесконечно малой.

Отсюда вытекает ряд любопытных выводов. Электрон, как было сказано выше, есть типичный пример материи. Его фундаментальная природа отражает природу материи вообще. Быть материей означает существовать по тому же принципу, что и электрон. Это значит - быть бесконечно малой элементарной частицей, некоей точечной концентрацией энергии. Это значит - не иметь определённых размеров, не занимать никакого конкретного объёма. Нам трудно вообразить реалии такого рода, поэтому прибегнем для наглядности к языку математики. Бесконечно малая величина передаётся в математике как единица, делённая на бесконечность: 1 / ~. Это - прямая противоположность тому, что мы только что говорили о пространстве и его единичных проявлениях: значок бесконечности стоит в данном случае не в числителе, а в знаменателе. Элементарная частица есть как бы пространство наоборот, антипод пространства.

Из формулы 1 / ~ становится понятно, как электрону удаётся существовать в качестве чего-то единичного и не иметь составных частей; почему его нельзя разделить даже в принципе. Попробуем разделить 1 / ~ на два. Легко убедиться, что результат будет равен исходному значению:

1 / ~: 2 = 1 / ~. Деление не имеет смысла: бесконечно малая величина остаётся тем, что она есть - бесконечно малой. Предел возможного деления уже достигнут, и это - базис для физического существования электрона. Его потому нельзя раздробить на нечто меньшее, что его размеры уже неотличимы от нуля. Они меньше любой сколь угодно малой величины и дальнейшему сокращению не подлежат. Бесконечно малые размеры создают тот островок стабильности, на котором возможно существование в качестве чего-то единичного. Всё то, что имеет конкретные, отличные от нуля размеры, единичным быть не может, ибо поддаётся делению на два: если не технологически, то хотя бы мысленно. Всё то, что обладает определённым размером, может быть только конфигурацией материи, некоторым вариантом её организации, но не материей самой по себе. Материя сама по себе - это электроны или подобные им частицы, которые должны оставаться бесконечно малыми, чтобы быть элементарными. Только такой способ бытия является непротиворечивым, и он не случайно реализуется в природе. Ниже мы увидим, что он характерен для материи вообще.

Вернёмся теперь к феномену атомного ядра. Его конечные размеры в 10 в -14 метра говорят о том, что здесь имеет место сложное образование. И действительно, о ядре известно, что оно состоит из протонов и нейтронов. Долгое время думали, что эти частицы элементарны, но потом физике удалось их померить. Оказалось, что диаметр протонов и нейтронов (их общее название - нуклеоны) составляет 10 в -15 метра. Это указывает на то, что у них должна быть внутренняя структура, и что уровень фундаментальности у материи следует искать несколько ниже. В шестидесятых годах 20 века его удалось найти. Было показано, что протоны и нейтроны образованы из трёх частиц - кварков, которые бывают двух разновидностей: так называемый "верхний" и "нижний" кварк. Протон состоит из двух "верхних" кварков и одного "нижнего". Нейтрон, напротив, сложен из двух "нижних" кварков и одного "верхнего". Два указанных вида кварка в сочетании с электронами и нейтрино образуют всю материю нашей повседневной жизни. Они, в частности, полностью описывают материю нашего собственного тела, которая понадобится нам, когда мы будем говорить о феномене взаимодействия материи с бодрствующим сознанием. Пока, однако, эту тему затрагивать рано.

Диаметр кварков лежит ниже границы возможного измерения - 10 в -18 метра - и количественному определению не поддаётся. Это обстоятельство, а также ряд других экспериментальных данных привело физику к выводу, что кварки фундаментальны. Они не имеют составных частей и на что-либо ещё более миниатюрное не распадаются. Способ их бытия повторяет способ бытия электрона: кварки существуют в виде неких точечных концентраций энергии и объёма не занимают.

Физикам, впрочем, никто не мешает иметь гипотезы, и появилась гипотеза, что, быть может, кварки не элементарны, а распадаются на два преона. Для нашего изложения это не так уж важно. На каком-то этапе дробление должно прекратиться, чтобы природа материи могла обрести определённость. Единственный способ остановить дробление частицы - это сделать её бесконечно малой. Либо кварки, либо преоны должны отвечать указанному требованию. Поскольку гипотеза о преонах не подтверждена, мы можем безболезненно её отбросить и продолжать считать элементарными частицами кварки.

Их, заметим, всего шесть. Кварки отличаются между собой с точки зрения массы, которая варьирует в пределах от 0,3 до 176 гигаэлектрон-вольт. Четыре тяжёлых кварка, называемые по-английски "charm", "strange", "top" и "bottom", недостаточно стабильны и в обычных условиях не встречаются. Их можно получить только в ускорителях, но они преобладали на раннем этапе эволюции Вселенной, когда концентрация энергии на единицу объёма была совершенно другой. Несмотря на различия в массе, все кварки повторяют способ бытия элементарных частиц: они существуют в виде точечных концентраций энергии. Тот же самый принцип прослеживается и у частиц, являющихся тяжёлыми Lсобратьями¦ электрона: мюона и тау. Мюон превосходит электрон по массе в 200 раз, а тау - в 3500 раз. Вся их значительная масса, однако, сосредоточена в бесконечно малой точке; ни мюон, ни тау объёма не занимают. Трём указанным разновидностям электрона соответствуют три сорта нейтрино, называемые электрон-, мюон- и тау-нейтрино. Им точно так же линейные размеры не присущи.

Для полноты картины, поскольку мы говорим о материи, следует отметить ещё и частицы - переносчики силы. Самая известная из них - фотон, с помощью которого энергия Солнца достигает нашей планеты. Массой покоя фотоны не обладают и в связанном виде не существуют. Это - способ, по которому некоторые физические системы избавляются от избытка энергии и выдают её в свободном виде. Как и следовало ожидать, говорить о каких-то линейных размерах фотона не приходится.

Вторая частица, осуществляющая перенос взаимодействия, - глюон - имеет крайне ограниченный радиус действия. Он составляет всего 10 в -15 метра, отчего глюоны могут работать только в пределах атомного ядра. С помощью глюона кварки увязываются в конфигурацию, что ведёт к образованию протонов, нейтронов, а также самих ядер. Последнее обстоятельство особенно примечательно. Взаимодействие, переносимое глюонами, должно отличаться исключительной силой (оно так и называется "сильным"), чтобы удерживать внутри ядра одноимённо заряженные протоны. Эти частицы, как известно, электромагнитно отталкивают друг друга. Для нашего изложения важно, что никакими размерами глюоны не обладают. Масса покоя им также не свойственна.

Третий тип частиц той же группы носит название векторных бозонов. Они характеризуются ещё меньшим радиусом действия, не превышающим 10 в -18 метра. Посредством векторных бозонов осуществляется так называемое "слабое" взаимодействие между кварками. Оно позволяет кваркам превращаться друг в друга, что ведёт, в частности, к превращению нейтрона в протон, и обратно. Векторные бозоны имеют весьма значительную массу покоя, но с точки зрения объёма не определимы.

Мы перечислили все известные составляющие материи, характерные как для нынешнего этапа эволюции Вселенной, так и для периода сразу после Большого Взрыва. Сказанного достаточно, чтобы уловить общий принцип бытия материи и дать ответ на заглавный вопрос данного тезиса. Способом бытия материи является элементарная частица. Из них складываются различные конфигурации, причём некоторые могут отличаться очень высокой степенью стабильности. Так, у протона продолжительность существования составляет не менее 10 в 32 (степени) лет. ( Для сравнения скажем, что нейтрон в свободном виде распадается менее чем за 15 минут. ) Элементарные частицы, образующие конфигурации, находятся в непрерывном движении. Три кварка, слагающие нуклеоны, вращаются друг вокруг друга со скоростью близкой к скорости света. Это делает кварки как бы размазанными по всему объёму нуклеона, что долгое время затрудняло их обнаружение.

Посредством различного сочетания протонов и нейтронов можно получить ядра всех элементов таблицы Менделеева. Понятно, что эти ядра являются не более чем некоторой комбинацией кварков. Если добавить к ядру электроны, возникает стабильная конфигурация материи - "атом". Различные сочетания атомов дают начало молекулам, из которых складываются все макро-скопления вещества нашей повседневной жизни.

Несмотря на то, что материя в восприятии кажется нам непрерывной, протяжённой, в её фундаменте лежит дискретная элементарная частица. Быть материей означает быть элементарной частицей. Всё остальное есть только их конфигурации. Линейных размеров элементарные частицы не имеют и с этой точки зрения относятся к категории бесконечно малых. На вопрос: что значит быть материей? - можно ответить: это значит - быть бесконечно малым.

Вспомним далее математику с её формулой "единица, делённая на бесконечность":

1/ ~. Понятие бесконечности или бесконечно большого ассоциируется у нас с пространством. Элементарная частица, как видим, является его прямой противоположностью. Но элементарная частица - это и есть материя. Следовательно, на вопрос: что значит быть материей? - можно с полным правом ответить: это значит - быть антиподом пространства.

Прим. Полученная формулировка выражает материю через то, что материей не является. Тем самым она отвечает требованиям скорее определения, чем просто описания.

Следует указать, что между понятиями материя и материальное нет принципиальной разницы. Материальное означает состоящее из одной или нескольких (некоторого множества) элементарных частиц. Материален атом гелия. На фундаментальном уровне он представляет собой комбинацию из четырнадцати частиц: двенадцати кварков и двух электронов. Кварки образуют два протона и два нейтрона, из которых сложено ядро гелия, а электроны вращаются вокруг них по орбитам. Аналогичным образом можно указать составные части любого другого проявления материального.

На заглавный вопрос тезиса таким образом дан ответ. Мы убедились, что бытие материи осуществляется в единичной форме: материя существует через дискретные элементарные частицы. Эти частицы по необходимости должны быть бесконечно малыми. Такова логически непротиворечивая форма бытия единичного. Вопрос теперь в том, является ли она единственной. Размышления показывают, что нет, и это позволяет нам сформулировать следующий тезис: