Материя и пространство в современной физике

Что материя занимает вполне определенное пространство – это элементарный факт, предшествующий всей науке. Но уже при ее зарождении перед наукой возникла проблема, как материя заполняет пространство. Понятно, что пространство делимо бесконечно; но как обстоит дело с материей? Здесь, по-видимому, противостоят друг другу две взаимно исключающиеся возможности: непрерывность и однородность заполнения пространства - предпосылка континуальных теорий, и разрывность – предпосылка атомизма. Континуальная теория, лежащая в основе механики деформируемых сред, оправдалась повсюду, где измерялись не слишком малые физические образы. Но при размерах, меньших миллионной доли сантиметра, уже десятилетиями безраздельно господствует атомизм.

Что атомы «существуют» (в том смысле, в котором говорят о них физики и химики), сегодня уже нет никакого сомнения. Прежде поколения исследователей должны были прийти к выводу о существовании атомов дедуктивно; мы же видим на фотоснимках в камере Вильсона следы единичной элементарной частицы, наблюдаем на сцинциллирующем экране удар единичной α-частицы. Различными путями мы можем даже получить довольно точные указания о величине атома. Особенно удобны для этого оба противоположных агрегатных состояния, твердое кристаллическое и газообразное. Мы можем вычислить размер атома и из теоретических предпосылок, не прибегая к каким-либо экспериментальным данным, причем полученные результаты хорошо согласуются между собой.

В кристаллах атомы расположены в наиболее простых геометрически правильных конфигурациях. Рентгеноструктурный анализ позволяет, как известно, непосредственно определить расстояния между центральными точками атомов. Если представлять себе теперь атомы как шары с центрами в этих точках и такой величины, что они как раз соприкасаются, то мы тем самым сразу находим диаметр атома. Значит, расположение атомов в кристалле будет «плотнейшей упаковкой шаров». Еще из детских игр каждый знает, как надо располагать на плоскости возможно теснее одинаковые шары: шары тогда образуют равносторонние треугольники. Это соответствует одному слою шаров при наиболее плотной упаковке. Существует всего несколько возможностей располагать в пространстве последующие слои таким же образом. У кобальта и тантала такие наиболее плотные упаковки шаров уже точно обнаружены.

…современная атомная теория позволила и вычислить величину атома. Согласно боровской модели атома, из множества механически возможных путей электронов по определенным правилам отбираются некоторые дискретно расположенные траектории, соответствующие минимальному расстоянию электронов от ядра. Чем больше электронов в атоме, тем больше «оболочек» необходимо для их размещения. Следовательно, диаметр атома можно определить чисто расчетным путем, зная лишь универсальные постоянные: планковский квант действия, массу и заряд электрона и порядковый номер элемента в периодической системе.

Но нельзя забывать, что хотя найденные столь различными путями значения по порядку величины вполне совпадают, они тем не менее немного отличаются. Это понятно. Простая картина атома-шара слишком груба. Уже в боровской модели атома водорода электрон может вращаться по различным траекториям, по-разному удаленным от ядра. Пространство, занимаемое электронной оболочкой, не имеет твердой внешней границы; она «затухает», подобно тому как атмосфера вокруг Земли постепенно переходит в пустое мировое пространство.

Выражение «затухает» перенято из акустики, из учения о колебаниях, не случайно. Известно, что 1925 г. Луи де Бройль и Шредингер переработали теорию атома в некоторую «волновую теорию» материи, в которой каждой частице сопоставляется волна материи. Что волны материи реальны и не являются только математической фикцией, позже было показано в знаменитых опытах Дэвиссона и Джермера. Волну узнают по интерференционным и дифракционным явлениям, привычным нам для света, рентгеновских лучей и звука. Выяснилось, что при прохождении пучка электронов через вещество происходят точно такие же интерференционные и дифракционные явления. Это же наблюдается, как показал профессор О.Штерн (из Гамбурга), для пучков молекул водорода, атомов гелия и т.д. Согласно волновой механике, уже отдельному электрону нельзя приписывать определенные размеры: он кажется «размазанным» по всему пространству.

Эти новые открытия и теории вызвали необходимость коренного пересмотра традиционных представлений о пространственном распределении материи. Всегда существовало некоторое расхождение между допущением о существовании «мельчайших частиц» материи и представлением о пространстве. Могут ли вообще существовать мельчайшие частицы? Допустим, что электрон является такой частицей. Но электрон занимает определенное пространство; следовательно, в нем можно различить отдельные области. Если он действительно заполняет свое пространство постоянно – а иначе он не был бы мельчайшим строительным камнем, - то, очевидно, рано или поздно должны замечаться явления, обусловленные движением этих частей друг относительно друга. Эти явления должны вести к своего рода «механике деформируемого электрона»; короче, мы опять имеем дело не с мельчайшей частицей.

Если, несмотря на это, физика придерживается мельчайших частиц, а это само собой разумеется перед лицом импонирующих результатов современной атомистики, то ее представления о заполнении пространства должны быть существенно другими. Простейшая корпускулярная картина недостаточна. Современная физика пытается найти подходы к новой формулировке общей проблемы пространства и материи. Но они никоим образом нас не удовлетворяют. Знаменитые соотношения неопределенности Гейзенберга, которые утверждают, что нельзя одновременно точно определить место и импульс точечной массы, содержат в себе почти contradictio in adjecto: в ньютоновской механике точечная масса (приблизительно) как раз определяется как нечто, место и импульс чего известны. Так повсюду выявляется, что для вновь открытых фактов еще нет точного способа выражения.

Сегодня физика стоит перед необычайно сложной задачей: она должна заново создавать основные понятия своих общих теоретических построений. Этим она, собственно, обращена к состоянию, в котором она находилась задолго до Галилея и его времени, поскольку в первом творческом столетии современного естествознания, по крайней мере в вопросах, в которых «сталкивались» пространство и материя, не видели никакой проблемы. Нельзя ожидать, что раскрыть квантовую загадку удастся в ближайшем будущем. Физику остается лишь терпеливо выжидать, к чему приведет ход развития.

М.Лауэ. Статьи и речи. – М., 1969. С. 77-78, 223-227.