История атомизма

"Если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания оказались бы уничтоженными и к грядущим поколениям живых существ перешла бы только одна фраза, то какое утверждение, составленное из наименьшего количества слов, принесло бы наибольшую информацию? Я считаю, что это — атомная гипотеза (можете называть ее не гипотезой, а фактом, но это ничего не меняет): все тела состоят из атомов — маленьких телец, которые находятся в беспрерывном движении, притягиваются на небольшом расстоянии, но отталкиваются, если одно из них плотнее прижать к другому, В одной этой фразе... содержится невероятное количество информации о мире, стоит лишь приложить к ней немного воображения и чуть соображения"^[1]. Эти слова принадлежат крупнейшему физику середины XX столетия, Нобелевскому лауреату (1965) Ричарду Фейнману (1918-1988).

Атомизм (от греч. átomos — неделимый) проявился как движение античной мысли к материалистической унификации первооснов бытия. Интересно, что данная гипотеза, развитая Левкиппом и особенно Демокритом, связана с древним Востоком (по ряду свидетельств, Демокрит обучался у халдеев и магов: вначале у присланных в дом его отца для воспитания детей, а затем в Мидии). Первоначала других античных мыслителей Демокрит и его последователи сводили к атомам: и вода, и воздух, и земля, и огонь состоят из большого количества атомов, различающихся по своей качественной специфике, но по отдельности чувственно не воспринимаемых. Стоит отметить, что и душа, согласно древним атомистам, состояла из тончайших круглых атомов, т.е. идеальное мыслилось ими наравне с материальным, с единой субстанцией. Атомы складываются в различные конфигурации, которые мы ощущаем в качестве отдельных вещей, различность же структур этих конфигураций, т.е. качественное разнообразие мира, зависит от разных типов взаимодействия между атомами. Так была создана существующая более двух тысячелетий дискретная (от лат. -разделенный, прерывистый) картина мира, в которой бытие мыслится состоящим из мельчайших и обособленных (дискретных) частичек вещества. Отношения между этими частичками, т.е. принцип взаимодействия, считаются не самим бытием, а лишь свойством атомов. Следует, однако, подчеркнуть, что наше изложение есть реконструкция, исходящая из сравнительной ценности для современной науки тех или иных построений древних. Непосредственно в Античности атомистическая концепция не сыграла существенной роли. Дело в том, что она входила в конфликт с принципом бесконечной делимости материи, а также с величайшими достижениями античной математики: открытием несоизмеримости диагонали квадрата с его стороной и т.п. Геометрические фигуры, составленные из атомов Демокрита, были бы угловатыми и неровными, подобно египетским пирамидам, если рассматривать их вблизи. Мы не можем здесь вдаваться в математические тонкости, укажем лишь, что Демокрит различал атомы (неделимые) и амеры (не имеющие размера). Неделимые физические демокритовские атомы наделялись многими геометрическими свойствами тел видимого мира, например изогнутостью, "крючковатостью" и т.п.; душу, как уже упоминалось, составляли круглые атомы. Амеры же, по Демокриту (или "элементы", по Эпикуру), являясь частями атомов, обладают свойствами, отличными от свойств атомов. Так, если атомам присуща "тяжесть", то амеры лишены ее. Игнорирование этого кажущегося противоречия привело к неточному толкованию учения Демокрита. Гравитация представлялась не как врожденное свойство материи, а как следствие движения амеров. В таком случае атом как совокупность амеров и окруженный амерами же может испытывать притяжение со стороны других атомов благодаря импульсам энергии, передаваемых амерами, при этом по-разному — в зависимости от того, с какой стороны находятся другие атомы, что и создает эффект взаимного притяжения. Таким образом, гравитация мыслилась как свойство, присущее комплексу, а не его частям. Преодоление трудностей древней атомистики было бы возможным только вместе с введением в античную науку элементов дифференциального и интегрального исчислений, что позволило бы заодно решить, например, апорию Зенона об Ахиллесе и черепахе и т.п. Существует мнение, что Архимед, разработавший оригинальные методы, предвосхищавшие математический анализ Ньютона и Лейбница, опирался на атомизм. Но подлинные методы Архимеда нам очень мало известны, во всяком случае, они оказались в стороне от главной дороги, на которой развивалась античная математика.

Сформировавшееся в Античности воззрение оказалось поразительно эвристичным и потому устойчивым. В Новое время оно положило начало объективно научному объяснению многих явлений природы. Так, Ньютон, исходя из идеи атомизма как понятия материальной точки, ввел в физику концепцию массы и сформулировал закон всемирного тяготения и основные законы динамики (показывая свое мастерство в применении атомистической гипотезы, Ньютон все же нигде не объявляет себя ее приверженцем).

На этой же основе возникли первые теории о происхождении Солнечной системы и Земли, гипотезы о строении вещества, воззрения на происхождение жизни. Постепенно сложилась "атомистическая" терминология. Международным конгрессом 1860 г. был узаконен термин "молекула" (уменьшит, от лат. moles — масса, т.е. букв, "малюсенькая масса") как обозначение мельчайшей частицы вещества, обладающей его химическими свойствами. Но фактически понятие молекулы было знакомо еще Антуану Лавуазье (17-13—1794), основоположнику современной химии. Возрождение слова "атом" связано с именем английского химика Джона Дальтона (1766—1844), предпочитавшего его словам "частица" и "молекула" (Дальтон различал простые и сложные атомы). Атомистика легла в основу молекулярно-кинетической теории теплоты; в химии она привела к открытию закона сохранения вещества, закона постоянства состава, наконец, к Периодической системе элементов Д. И. Менделеева и другим научным открытиям^[2].

Корпускулярная механика Ньютона удовлетворяла все притязания науки, и потому ученым думалось, что они, как никогда, близки к окончательному постижению первоматерии, представлявшейся в виде неисчислимого множества мельчайших частичек — непроницаемых атомов. Их масса, по Ньютону, есть мера заключенной в них материи, а движутся они по законам классической механики. И казалось, что именно такое движение дает возможность осмыслить суть всех происходящих в мире явлений, вплоть до тончайших явлений психики. Казалось, что теоретическая физика, исследовавшая фундаментальное свойства атомов, вот-вот закончит свои поиски и получит полную завершенность. Именно такая интеллектуальная атмосфера выражена в вопросе знаменитого немецкого физика Густава Кирхгофа: "Разве осталось еще что-нибудь открывать?" Сложилась самодостаточная и цельная доктрина механистического материализма, в которой мир мыслился в категориях неделимого атома как частички вещества; его неизменной массы и неизменной же энергии, которая объединялась сначала только межатомарным, а затем и молекулярным взаимодействием, а также силой гравитации. Роль среды, в которой осуществляются все известные науке взаимодействия между частичками вещества (включая электромагнитные взаимодействия), выполняло понятие эфира, заполняющего то пустое пространство, в котором это взаимодействие осуществлялось. Однако наряду с триумфальным шествием атомизма в науке постепенно назревал и его кризис, связанный прежде всего с неудовлетворенностью дискретного понимания материи только как-атомарно распределенного вещества и соответственно с постепенно менявшимися физическими представлениями о внутренней природе процессов взаимодействия, которые в атомизме объявлялись не самой материей, но только ее атрибутом.

В чем же причина недовольства как физиков, так и философов атомарной теорией материи в ее "метафизическом" виде, наиболее ярко проявившегося в конце XIX — начале XX столетия? Выделим главное.

Атомистическая концепция строения материи перешла границы своего механистического понимания сначала в том, что атом оказался совсем не "атомом": он поддался делению (а ведь демокритовские атомы мыслились внутренне бесструктурными). Был открыт электрон, выявлены радиоактивность и превращаемость атомов. Ранее бесструктурный атом получил целый мир в своем внутреннем строении, исследованием которого интенсивно занялись физики. Наступил век господства электричества и триумфального шествия его практического применения. Однако еще более взрывоопасными для механистического материализма оказались новые воззрения в области теории взаимодействий, к которым прибавились и ранее неизвестные науке взаимодействия внутри атомов и атомных ядер. В частности, уже Декарт высказывал неудовлетворенность концепцией эфира как пустого пространства, в котором осуществляются дальние взаимодействия между дискретными моментами вещественного бытия. Он ввел понятие эфира как области "вихрей", как постоянного вихреобразного движения, которое и лежит в основе взаимодействия элементов вещества. Затем Ньютон вывел закон тяготения, в котором сила гравитационного взаимодействия зависела уже не от многообразия свойств вещественных объектов, а только от их массы и расстояния между ними. Природа этого дальнодействия оставалась непознанной. Принцип дальнодействия, описываемый законом тяготения, и дискретный вещественный атомизм, сосуществуя в механистическом материализме, подготавливали последовавший в дальнейшем взрыв указанной теории. Этот долго подготавливаемый взрыв произошел с введением в физику нового фундаментального понятия, описывающего принципиально отличное от вещества состояние материи, названное основателями этой теории, английскими физиками Майклом Фарадеєм (1791 — 1867) и Джеймс Максвеллом (1831—1879) электромагнитным полем. Отныне дискретное вещество уже не могло пониматься как единственный вид материи.

В чем же особый физический и философский смысл понятия "поле", какими путями человеческая мысль пришла к этому новому виду материи? Первоначально ноле понималось как свойство окружающего какой-либо вещественный объект пространства (или эфира как мировой среды), для каждой точки которого можно с помощью математических уравнений определить величину и направление силы взаимодействия между данным объектом и остальными объектами. Так, найденный Ньютоном закон тяготения как "основного" вида взаимодействия между объектами позволяет рассчитать различную напряженность "поля тяготения" в различных точках. Однако при всей неожиданности предложенных математиками конструкций, в которых среда взаимодействия функционирует как его активный участник, они лишь поколебали, но не взорвали представление о материи только как о веществе, ибо такое поле могло продолжать мыслиться как атрибут вещества. Настоящим возмутителем спокойствия поле стало тогда, когда из уравнений Максвелла для электромагнитного поля с неопровержимостью стало следовать, что оно есть не только атрибут объекта, но самостоятельная физическая реальность, способная существовать и распространяться в пространстве независимо от вещественного объекта, а значит, поле превратилось в новый и особый наряду с веществом вид материи, в котором вместо дискретности основным свойством является континуальность (от лат. continuum — непрерывное).

Описывая свое ощущение от знакомства с максвелловскими уравнениями, Эйнштейн писал: "Стало ясно, что в физике произошло нечто весьма важное. Было создано новое понятие, для которого не было места в механистическом описании. Постепенно понятие поля утвердило за собой руководящее место в физике и сохранилось в качестве одного из основных физических понятий. Для современного физика электромагнитное поле столь же реально, как и стул, на котором он сидит"^[3]. Однако, прежде чем понятие поля в смысле Фарадея и Максвелла действительно стало обще-принятым, оно, появившись, вызвало бурю непонимания и негодования в среде физиков и философов. Затем, по мере "привыкания" к нему, оно привело к философскому кризису, так как это понятие расшатало представление о материи как о веществе. "Материя исчезла!" — ахнул научный мир, после того как физики с восторгом неофитов начали объяснять свойства вещества из действий поля. И это понятно: ведь материя понималась как вещество, и следовательно, вместе с веществом, "зависящим от поля", исчезла и материя, уступив место новому "богу". В классической механике Ньютона считалось, что такие фундаментальные свойства материи, как масса и объем, абсолютно неизменны, изначальны и ничем не обусловлены. Но опыт показал, что масса электрона обусловлена созданным им полем и изменяется в зависимости от энергии поля. Следовательно, масса частицы изменяется вместе с изменением структуры поля. Меняется масса и в зависимости от скорости тела: с приближением скорости электрона к скорости света напряжение его поля стремится к бесконечности, соответственно меняется и его масса. Поэтому, поскольку масса считалась мерой количества материи, то открытие непостоянства массы, ее изменения в связи с изменением в области поля и в скорости движения тела было истолковано так, будто материя исчезает, а материализм терпит крах. В этом же духе был истолкован и радиоактивный распад атомов, что мыслилось как превращение материи в энергию, как "исчезновение" материи. Общественное мнение повернулось к весьма наивному идеализму, так как понятие материализма было традиционно связано для него с механистически-вещественным толкованием материи.

Сложившаяся физическая ситуация настойчиво требовало своего разрешения. Вся совокупность новых открытий объективно носила диалектический характер. Преодоление кризиса в физике потребовало от теоретической мысли более диалектического, "неортодоксального", "неклассического" подхода к фактам, в частности к пониманию связи материи, движения, пространства и времени. Нужно было значительно тоньше подойти к трактовке истины, ее подвижности, понять, что она есть процесс. В той картине мира, которая все отчетливее вырисовывались в науке, именно изменение, переход, превращение, развитие вернули на сцену диалектику. Начался мучительный процесс ломки старых, привычных представлений. С открытием квантовой механики (сначала в матричной форме В. Гейзенберга) показалось, что атомистическая корпускулярная картина мира вернула себе утраченные позиции. На какое-то время возникла четкая схема: атомы химиков состоят из частиц трех видов — электронов, протонов и нейтронов, которые и можно принять за истинные "атомы" в древнегреческом смысле. Даже первоначальный возмутитель корпускулярной картины — электромагнитное поле — удалось истолковать как совокупность частиц, названных фотонами. Соединение корпускулярных и волновых свойств обогатило науку диалектическим принципом дополнительности, сформулированным датским физиком Нильсом Бором (1885— 1962): "Contraria non contradictoria, sed complementa sunt" ("Противоположности — это дополнения, а не противоречия!). Но как всегда это бывает в науке, решение одних проблем порождает новые. Бурное развитие ядерной физики на базе теории относительности и квантовой механики привело сначала к дополнению указанной схемы несколькими новыми частицами: нейтрино, мюоном, а затем к лавинообразному потоку открытий все увеличивающегося количества "элементарных частиц". Без кавычек это слово стало писать трудно! Физика "элементарных частиц" превратилась в бег за бесконечностью. Вновь возникла потребность в отыскании истинно элементарных (их стали называть "фундаментальными") частиц как первоосновы материального бытия. На роль новых "атомов", составляющих тяжелые и средние частицы — барионы и мезоны — выдвинулись кварт^[4]. Замечательным свойством гипотетических атомов мироздания стала принципиальная наблюдаемость в свободном виде, т.е. вне нейтронов, протонов и т.п.

Кварковая гипотеза смогла объяснить многое в физике частиц. Вновь триумф атомизма! ... Но и новые трудности. Первоначально кварков было три, при усложнении теории их число возросло до шести. Будет ли на этом остановка? Найдена ли атомарная первооснова? Исчерпала ли себя атомарная гипотеза? Пока никто не может дать ответ.